CN115103079A - 一种线性扫描装置及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性扫描装置及其扫描方法，该装置包括运动滑台和扫描单元，运动滑台能够带动放置在其工作面上的待扫描物品以发生定向平移的方式穿过扫描单元所限定出的可扫描工作区域，扫描单元包括能够进行多聚焦图像采集的第一扫描模块组和光谱图像采集的第二扫描模块组。该方法包括通过求取第一扫描模块组和第二扫描模块组之间的相对坐标位置并将所述相对坐标位置与采集图像中的同一特征标记点相结合的方式建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，从而可通过多聚焦图像与光谱图像的二次融合获取到具有色彩表征的扫描图像。

Description

一种线性扫描装置及其扫描方法

技术领域

本发明涉及扫描装置技术领域，尤其涉及一种线性扫描装置及其扫描方法。

背景技术

信息技术的发展对扫描及成像设备的表现提出了更高的要求，相对过往对获取更高的空间分辨率的需求之外，逐渐增加了对获取诸如光谱、深度、偏正等多维度的图像信息的采集需求。在扫描设备采集到更高分辨率的图像数据的同时，还能具有更好的色彩表现能力以及更大的动态范围。传统的成像和显示方法基于图像的颜色编码，将光谱维度的信息压缩至红、绿、蓝(red，green，blue，RGB)三个通道。这一方法使用最少的通道数满足了人眼对色彩的感知，简单实用。但也由于信息的压缩，丢失了光谱中携带的大量信息。导致最终扫描输出的图像在色彩表现上与实物存在一定的差异，无法完全复刻出实物的表面信息。

传统的色彩表现体系是无法解决同色异谱(metamerism)、跨光源颜色匹配和设备间的色域(color gamut)映射等问题的，因此在进行图画文物等对色彩还原度较高的物品进行扫描时，不仅仅需要扫描装置能够具有高时间分辨率和空间分辨率，还希望扫描采集的图像能够实现高保真颜色的重现，尽可能地获取与原物品更加贴近的扫描图像。

公开号为CN109278398A的专利文献公开了一种色彩管理系统及方法，其用于解决对现有彩色图像印刷复制技术中从扫描、显示、输出到印刷的颜色统一性效果不好的问题。在彩色图像复制过程中，要做到从扫描、显示、输出到印刷的颜色统一性，就必须实行标准化、规范化、数据化的色彩管理。经过多年的推广与普及，色彩管理在我国印刷企业的应用取得了一定的成效，越来越被企业所重视。该发明结合了色彩管理系统及方法的生产实践，实现了色彩管理在实际操作中的深层次应用。该色彩管理系统及方法在一定程度上能够通过科学化的系统管理实现对扫描图像的准确色彩赋值，但是该色彩管理系统及方法仅针对现有技术中的三基色进行色彩管理，无法满足针对一些对色彩精准度需求高的物品进行扫描和色彩重现，并且该色彩管理系统及方法无法对扫描得到的多聚焦图像进行有效的处理，无法保证全焦融合后图像的质量。

现有的三基色显示装置和色彩表现方法只能重现出光谱图像中的一小部分颜色，无法实现接近光谱图像极限的大色域显示，缺少能够针对大色域(WCG)进行色彩还原和赋值的色域评价方式。此外，与三基色相比，仅仅确定基色光谱并不能完成多基色显示的色域设计，还必须确定每个基色的最大明度；同时随着基色数增多、色域增大，色域与光效率之间的制约比三基色显示更加突出，需要在设计过程中寻找色域与光效率之间的平衡。因此，需要一种能够依据扫描单元获取的部分条形图像数据输出针对大幅面物品的高时空分辨率的全焦融合图像，并能够在进行多聚焦图像的拼接融合操作过程中通过对图像进行色彩度赋值，从而在获取全焦融合操作过程中能够同步地完成色彩还原的扫描装置。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的技术方案提供的是一种线性扫描装置，其至少包括运动滑台和扫描单元，所述运动滑台能够带动放置在其工作面上的待扫描物品以发生定向平移的方式穿过所述扫描单元所限定出的可扫描工作区域，所述扫描单元至少包括能够进行多聚焦图像采集的第一扫描模块组和进行光谱图像采集的第二扫描模块组，其中，所述第一扫描模块组通过光场成像的方式在单次曝光下进行多聚焦图像的采集；所述第二扫描模块组是按照光谱成像的方式完成光谱图像在光谱维度上的编码获取与重建；通过求取所述第一扫描模块组和第二扫描模块组之间的相对坐标位置并将所述相对坐标位置与采集图像中的同一特征标记点相结合的方式建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，从而可通过多聚焦图像与光谱图像的二次融合获取到具有色彩表征的扫描图像。其优势在于，通过在扫描过程中同步采集多聚焦图像与光谱图像的方式获取具有高分辨率和高色彩重现度的图像数据，从而在进行图像拼接融合处理后可获取到同时兼具高时空分辨率和高色彩重现度的全焦融合扫描图像。通过利用不同扫描模块组在世界坐标系中的坐标建立多聚焦图像与光谱图像之间的相对关系，并进一步利用采集图像中同一特征标记点对不同扫描模块组获取的两组图像进行关联对照，使得两组图像能够依据特征标记点进行数据的整合，从而获取兼具分辨率和色彩重现的图像数据。多聚焦图像和光谱图像的映射关系是通过两种图像采集设备之间的相对坐标位置和采集图像中特征标记点的对应关系实现图像的组合，在多聚焦图像进行上采样操作获取高空间分辨率以弥补光谱图像分辨率较低的问题的同时，利用光谱图像所表征的全谱段混叠在一起的光强信息实现图像接近人眼色域极限的色彩重现。

根据一种优选的实施方式，所述第二扫描模块组还能够对采集到的光谱图像进行二次处理以获取光谱图像在世界坐标系中的位置姿态参数；获取对多聚焦图像完成全焦融合操作后得到的全焦图像在世界坐标系中所对应的外参数；根据已建立的多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系对位置姿态参数与外参数进行相互匹配，从而生成具有色彩表征的全焦融合图像。其优势在于，通过对光谱图像的位置姿态参数和多聚焦图像的外参数获取，从而利用映射关系对位置姿态参数与外参数进行相互匹配，实现高分辨率数据和高色彩重现数据的组合，从而得到兼具分辨率和色彩重现的图像数据，进而在全焦融合处理后输出高分辨率和高色彩重现度的扫描图像，从而能够有效地获取文物书画等对色彩和分辨率要求较高的物品扫描。

根据一种优选的实施方式，所述扫描单元通过悬架调整组件悬置于所述运动滑台的上方，从而可通过控制所述悬架调整组件的工作调节所述扫描单元的工作位置，使得所述扫描单元的在焦可扫描区域定位于待扫描物品表面。其优势在于，悬架调整组件能够根据需求选择性地完成多个扫描单元的同步高度变换或单个扫描单元根据待扫描物品表面的起伏而进行特定工作高度的改变，使得扫描单元能够始终将其相机焦点定位于物品表面，从而获取清晰、准确的图像数据。

根据一种优选的实施方式，所述第一扫描模块组和第二扫描模块组均采用并排布设的方式安装至所述悬架调整组件的工作端，使得任意所述第一扫描模块组和第二扫描模块组均能在所述运动滑台带动待扫描物品进行定向平移的过程中采集到条形的线性在焦图像。其优势在于，横向并排设置的扫描模块能够在运动滑台发生平移过程中采集到条形的线性图像数据，并依据扫描单元的排列顺序对采集的多个条形图像进行有效拼接，从而得到完整的大幅面图像数据。

根据一种优选的实施方式，所述悬架调整组件至少包括能够带动整个所述扫描单元进行工作位置调节的第一调节机构和能够控制所述第一扫描模块组的至少一个第一扫描模块进行工作位置调节的第二调节机构，其中，相对设置在运动滑台两侧的两个所述第一调节机构的工作端分别与同一个第二调节机构的端部连接。

根据一种优选的实施方式，所述扫描单元的两侧还分别设置有能够对可扫描区域进行补光的照明单元；所述照明单元能够根据所述扫描单元的工作位置和待扫描物品表面情况调节其光线出射角度，使得所述扫描单元能够获取到待扫描物品的无阴影的表面信息。其优势在于，通过在扫描单元的两侧相对地设置能够射出呈一定对称式夹角的照明光线的照明单元，在一定程度上改良扫描单元获取的图像数据的准确性，尤其是针对需要进行色彩还原和三维空间表征的图像数据。

根据一种优选的实施方式，所述照明单元根据所述扫描单元的扫描模块的排列方式构建出线状阵列照明光源，并且所述照明单元的光源出射端还覆盖有能够对出射光线进行处理的滤光单元。

根据一种优选的实施方式，所述扫描单元获得的多聚焦图像与光谱图像均被传输至处理单元进行图像数据的验证、修正和拼接，从而输出具有高时空分辨率和准确的色彩表征的全焦融合图像。其优势在于，通过引入基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像系统和基于宽光谱编码滤光片的光谱成像系统的方式获取同时兼具高时间分辨率、空间分辨率以及色彩重现度的图像数据，通过增加卷积深度神经网络来实现光场低分辨率图像的单图超分辨，利用此网络对低分辨率的光场部分在焦图像进行上采样，有效地提升多聚焦图像的分辨率，然后通过能够对色彩进行有效表征的光谱图像与多聚焦图像的结合，提高图像的色彩重现度，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率和色彩重现度的全焦图像，进而实现对场景信息的高分辨率大景深的图像采集。通过基于引导滤波的单次曝光来进行光场全焦融合的处理方式解决了传统多聚焦融合方法精度低、复杂度高、背景信息不一致、高频信息丢失等问题，实现单次曝光下全焦图像的采集，有效获取大景深的场景信息。通过在基于引导滤波的全焦融合的基础上，利用卷积深度神经网络实现对低分辨率光场部分在焦图像上的上采样，有效地提升全焦图像的空间分辨率，进而实现高时空分辨率的全焦成像，达成大景深范围内高分辨率全焦图像采集的目标。通过基于宽光谱编码滤光片的光谱成像能够获取高精度的光谱图像，从而实现接近人眼色域极限的色彩重现。

根据一种优选的实施方式，所述扫描单元采集的图像数据以有序排列的方式被传输至所述处理单元，所述处理单元能够选择性地进行基于引导滤波器的全焦融合处理、基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像操作和图像色彩重现操作。

本申请还提供一种线性扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法至少包括以下步骤：

S1：将待扫描的大幅面物品定位放置在完成位置归零后的运动滑台上，通过控制运动滑台的定向平移使待扫描的大幅面物品跟随运动滑台的运动而以稳定的速度穿过扫描单元的可扫描区域，使得扫描单元能够通过分版块的方式完成多个线性图像信息的采集；

S2：确定光场成像采集待测区域的光场信息；

S3：基于宽光谱编码滤波单元进行光谱图像的获取；

S4：对采集到的光场信息进行解码并运用数字重聚焦算法获取低分辨率的多聚焦图像；

S5：运用深度神经网络对多聚焦图像进行采样，获取高分辨率的光场多聚焦图像；

S6：建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，并依据建立的映射关系进行光场多聚焦图像与光谱图像的匹配和融合；

S7：运用基于引导滤波的全焦融合算法对具有色彩表征的多聚焦图像进行全焦融合处理并合成全焦图像。其优势在于，通过引入基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像系统和基于宽光谱编码滤光片的光谱成像系统的方式获取同时兼具高时间分辨率、空间分辨率以及色彩重现度的图像数据，通过增加卷积深度神经网络来实现光场低分辨率图像的单图超分辨，利用此网络对低分辨率的光场部分在焦图像进行上采样，有效地提升多聚焦图像的分辨率，然后通过能够对色彩进行有效表征的光谱图像与多聚焦图像进行结合，提高图像的色彩重现度，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率和色彩重现度的全焦图像，进而实现对场景信息的高分辨率大景深的图像采集。通过基于引导滤波的单次曝光来进行光场全焦融合的处理方式解决了传统多聚焦融合方法精度低、复杂度高、背景信息不一致、高频信息丢失等问题，实现了单次曝光下全焦图像的采集，能够有效获取大景深的场景信息。通过在基于引导滤波的全焦融合的基础上，利用卷积深度神经网络实现对低分辨率光场部分在焦图像上的采样，有效地提升了全焦图像的空间分辨率，进而实现高时空分辨率的全焦成像，达成大景深范围内高分辨率全焦图像采集的目标。通过基于宽光谱编码滤光片的光谱成像能够获取高精度的光谱图像，从而实现接近人眼色域极限的色彩重现。

附图说明

图1是本发明所提出的一种优选的线性扫描方法的工作流程示意图；

图2是本发明所提出的一种优选的线性扫描装置数据传输关系示意图；

图3是本发明所提出的一种优选的线性扫描装置的结构示意图；

图4是本发明所提出的一种优选的线性扫描装置的扫描单元排列结构示意图。

附图标记列表

1：平台主体；2：机架；3：运动滑台；4：扫描单元；5：照明单元；6：悬架调整组件；7：吹扫单元；8：处理单元；9：控制单元；41：第一扫描模块组；42：第二扫描模块组；51：第一照明模块；52：第二照明模块；53：安装支架；54：旋转安装座；55：旋转驱动单元；56：感应控制单元；57：滤光单元；61：第一调节机构；62：第二调节机构。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

本申请提供了一种线性扫描装置，其包括平台主体1、机架2、运动滑台3、扫描单元4、照明单元5、悬架调整组件6、吹扫单元7和处理单元8。

根据一种具体的实施方式，平台主体1的两侧设置有用于安装照明单元5、悬架调整组件6和吹扫单元7的机架2。平台主体1的上表面还通过滑动导轨连接有能够沿轨道进行定向平移的运动滑台3。扫描单元4通过悬架调整组件6支撑于运动滑台3的运动路径上方，使得运动滑台3能够从扫描单元4工作端的正下方穿过。两个照明单元5通过支架结构以共面的方式设置于扫描单元4的两侧，从而对扫描单元4下方的可扫描区域进行补光。吹扫单元7能够对运动滑台3的工作面进行前期吹扫处理，使得运动滑台3的工作面能够以无杂物遮挡的方式穿过可扫描区域。扫描单元4通过悬架调整组件6使得其可扫描区域与待扫描物品表面共面，从而准确地获取待扫描物品得在焦表面图像。扫描单元4在采集光场多聚集图像的同时还能够对包含物品表面的色彩数据的光谱图像进行采集，从而获取能够进行色彩重现的全焦融合图像。

优选地，平台主体1上通过导轨连接结构连接有用于放置待扫描物品的运动滑台3。平台主体1能够固定支撑在任意安置空间中，使得平台主体1能够为运动滑台3提供一个稳定且平整的工作环境，使得运动滑台3能够在驱动力的作用下带动其上表面放置的大幅面待扫描物品进行定向平移的方式从扫描单元4的下方经过，从而被扫描单元以线性采集的方式获取到图像信息。平台主体1的侧边还设置有与放置台3同高度的收纳盒。收纳盒内设置有能够对待扫描物品进行保护膜铺设的片基滚筒。

如图4所示，扫描单元4包括相互平行且均为横向排列的能够进行多聚焦图像采集的第一扫描模块组41和进行光谱图像采集的第二扫描模块组42。第一扫描模块组41和第二扫描模块组42均由多个扫描模块横向排列而成。第一扫描模块组41通过光场成像的方式在单次曝光下进行多聚焦图像采集。第二扫描模块组42是按照光谱成像的方式完成光谱图像在光谱维度上的编码获取与重建。通过求取第一扫描模块组41和第二扫描模块组42之间的相对坐标位置并将相对坐标位置与采集图像中的同一特征标记点相结合的方式建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，从而可通过多聚焦图像与光谱图像的二次融合获取到具有色彩表征的扫描图像。第一扫描模块组41根据扫描操作而进行高度调节，其是基于扫描物材质厚度等信息进行扫描模块的高度调节，使得第一扫描模块组41始终保持在设定高度和景深进行扫描，使得第一扫描模块组41的任意一个扫描模块均能够根据物品表面的起伏而调节其焦点位置，使得扫描模块始终能够采集到相对清晰的聚焦图像。优选地，第一扫描模块组41的扫描模块可以采用线性相机。第二扫描模块组42能够在第一扫描模块组41进行高时空图像的获取的同时对同一扫描区域的色彩进行获取，从而能够在进行多个条形图像的拼接时，能够对图像的色彩进行修正和赋值，使得最终输出的完整扫描图像具有与原物品一致的图像信息和色彩。优选地，第一扫描模块组41和第二扫描模块组42均采用并排布设的方式安装至悬架调整组件6的工作端，使得任意第一扫描模块组41和第二扫描模块组42均能在运动滑台3带动待扫描物品进行定向平移的过程中采集到条形的线性在焦图像。

如图3所示，多个扫描单元4能够以并行的方式对大幅面待扫描区域进行信息采集，即单个扫描单元4能够以线性扫描获取大幅面待扫描区至少部分条形区域来获取该区域高时空分辨率图像及图像色彩的方式进行扫描操作，从而多个并排设置的扫描单元4能够以同步运动的方式完成整个大幅面待扫描区的图像数据采集，进而通过对多个扫描单元4采集的条形图像数据进行拼接的方式完成整个扫描区域的数据整合。优选地，任意一个扫描单元4在完成一个线性矩形图像的获取时能够始终将其相机的焦点定位于待扫描物品的表面位置，从而采集到至少一部分表征待扫描物品的表面影像可以作为最优信息。优选地，单个所述扫描单元4能够扫描到的条形区域与相邻所述扫描单元4的条形区域是存在重合的，即单个扫描单元4的扫描区域至少包括其正下方的精准区域和覆盖相邻扫描单元4的精准扫描区域的模糊区域，使得处理单元8能够通过将扫描单元4输出的清晰图像和相邻扫描单元4输出的对应于物品同一表面区域的模糊图像进行重叠的方式完成处理后具有高时空分辨率图像的拼接，从而形成大幅面待扫描物品的完整表面图像。优选地，第二扫描模块组42还能够对采集的光谱图像进行二次处理以获取光谱图像在世界坐标系中的位置姿态参数。处理单元8能够获取对多聚焦图像完成全焦融合操作后得到的全焦图像在世界坐标系中的所对应的外参数；根据已建立的多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系对位置姿态参数与外参数进行相互匹配，生成具有色彩表征的全焦融合图像。

优选地，照明单元5至少包括第一照明模块51、第二照明模块52和用于安装照明模块的安装支架53。进一步优选地，第一照明模块51、第二照明模块52的两端通过能够插装在安装支架53端部的旋转安装座54与安装支架53连接，使得第一照明模块51、第二照明模块52能够根据需求相对于安装支架53进行转动。优选地，旋转安装座54通过在安装支架53上转动而带动第一照明模块51、第二照明模块52的工作端进行旋转，从而调节第一照明模块51、第二照明模块52发出的光线与扫描单元4之间的角度和相对位置。优选地，旋转安装座54还活动连接有能够控制其转动的旋转驱动单元55。优选地，旋转驱动单元55通过可调节地控制旋转安装座54进行预设的转动，使得第一照明模块51、第二照明模块52能够将其光线以设定角度照射于待扫描物品表面。旋转驱动单元55的设置，使得旋转安装座54能够带动第一照明模块51、第二照明模块52进行旋转角度大小调节，第一照明模块51、第二照明模块52的工作位置进行限定，方便使用者快速准确地完成照明光线出射角度的调整。优选地，安装支架53远离第一照明模块51或第二照明模块52的一端可拆卸地连接在机架2上。优选地，旋转驱动单元55可以采用能够准确控制其工作状态的伺服电机。

优选地，照明单元5还包括能够主动对待扫描物品位置进行获取而准确地控制第一照明模块51、第二照明模块52进行开启或关闭的感应控制单元56。优选地，感应控制模块56能够分别固定安装在安装支架53靠近进料端和出料端的一侧，并且感应控制模块56的工作端按照正对运动滑台3的方式进行设置。具体地，设置于进料端的感应控制模块56能够通过第一次感应到待扫描物品时控制第一照明模块51、第二照明模块52进行工作，对扫描单元4的成像拍摄区域进行打光，设置于出料端的感应控制模块56在第一照明模块51、第二照明模块52处于工作状态下，再次检测到运动滑台3未被待扫描物品遮挡的滑台表面时控制第一照明模块51、第二照明模块52停止工作。通过设置感应控制模块56能够一定程度上降低照明补光耗费的电能，能够有效地延长照明单元5的使用寿命。优选地，照明单元5根据扫描单元4的扫描模块的排列方式构建出线状阵列照明光源。照明单元5的光源出射端还覆盖有能够对出射光线进行处理的滤光单元57。优选地，宽光谱编码的滤光单元57采用两种材料交替的薄膜结构进行构建。光学薄膜材料仍然选用Si0₂和TiO₂，薄膜总层数为10层，基板选择K9玻璃材料，靠近玻璃基板的为Si0₂层。

优选地，悬架调整组件6包括第一调节机构61和第二调节机构62。两个平行设置的第一调节机构61设置在运动滑台3的两侧并与机架2连接。优选地，第一调节机构61上的工作端能够在垂直于运动滑台3的工作面的竖直方向上做直线移动。第一调节机构61的工作端上固定安装有第二调节机构62。优选地，多个第二调节机构62能够与并排设置的扫描单元4相对应，从而第二调节结构62能够带动与其连接的设定扫描单元4进行悬置高度的二次调节，使得每个扫描单元4的焦点都能定位在待扫描物品不平整表面。

优选地，机架2上还安装有能够对运动滑台3的工作面进行吹扫处理的吹扫单元7。吹扫单元7通过其支架设置在照明单元5的上游，从而在运动滑台3进行平移运动时，运动滑台3需先经过吹扫单元7对运动滑台3上放置待扫描物品表面进行除尘、除杂和除水处理后再被扫描单元4获取图像信息。优选地，吹扫单元7能够根据扫描需求调节其吹风量的大小。

优选地，扫描单元4在采集到物品表面数据后通过处理单元8进行处理，从而生成具有高分辨率和清晰度的图像。优选地，扫描单元4获得的多聚焦图像与光谱图像均被传输至处理单元8进行图像数据的验证、修正和拼接，从而输出具有高时空分辨率和准确的色彩表征的全焦融合图像。优选地，处理单元8通过求取第一扫描模块组41和第二扫描模块组42之间的相对坐标位置并将相对坐标位置与采集图像中的同一特征标记点相结合的方式建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，从而可通过多聚焦图像与光谱图像的二次融合获取到具有色彩表征的扫描图像。优选地，特征标记点可以是CCD相机扫描拍摄表面图像过程中对物品表面进行显著特征抓取时标记出的特征点。优选地，处理单元8是在第二扫描模块组42还能够在对采集的光谱图像进行二次处理以获取光谱图像在世界坐标系中的位置姿态参数的基础上获取对多聚焦图像完成全焦融合操作后得到的全焦图像在世界坐标系中的所对应的外参数。如图2所示，处理单元8还通过已建立的多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系对位置姿态参数与外参数进行相互匹配，从而生成具有色彩表征的全焦融合图像。优选地，处理单元8能够在控制单元9的控制下选择性地进行基于引导滤波器的全焦融合处理、基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像操作和图像色彩重现操作。优选地，控制单元9还能够将处理单元8处理后的图像数据传输至终端或显示屏进行显示。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

现有的大部分光谱成像系统具有较大的体积而无法有效地适用于本申请的扫描单元4中。即使是相对紧凑的SHIFT系统、CASSI系统等也由于其光路中含有双折射元件或色散元件及孔径编码元件，其外形尺寸通常为分米级。而近年来诞生的基于微纳加工的集成式方法可以实现极小体积的光谱仪，但是仍然需要几十乃至上百个随机滤光片。如果用相同的方法实现光谱成像，则空间分辨率又会受到严重的制约。因此，为了满足本申请对扫描分辨率和色彩重现的需求，本申请的扫描单元分别采用不同的扫描模块组进行具有高分辨率的多聚焦图像和能够有效完成色彩重现的光谱图像的采集，并进一步在进行多聚焦图像的全焦融合操作之前，通过映射关系将相互关联的多聚焦图像与光谱图像进行融合，使得多聚焦图像利用卷积深度神经网络，对低分辨光场图像进行上采样操作后还能够结合光谱图像完成准确的色彩表征，从而最后进行全焦融合后的扫描图像能够兼具更好的色彩重现效果和高时空分辨率。

优选地，光谱成像系统可以是基于深度学习进行搭建的。具体地，由LED阵列及滤光片阵列组成光源模组，使用成像模组对光谱编码后的样品进行成像，然后使用深度学习算法(PCSED中的解码器网络)进行光谱图像的重建。优选地，基于深度学习的光谱编码滤光片优化处理即是利用滤光片在光谱编码中与神经网络的等效关系，构建了光谱编码与解码器(SED)的神经网络架构，从而得以利用神经网络的训练过程实现滤光片的定量优化。

目前，一次性拍摄操作在获取图像信息时是需要以牺牲某一参数的准确性为代价进行扫描操作。例如，空间分辨率与角度分辨率之间存在矛盾，往往在获取角度分辨率的同时牺牲了空间分辨率，只能实现低分辨率的图像。现有技术的缺陷限制了光场成像在快速成像技术中的应用。

优选地，受到成像系统结构的限制，采集到的场景信息只能在一定范围内成清晰像，超过此范围的物体会因离焦而模糊，此范围被定义为景深。由于景深的限制，处于景深范围内的物体聚焦清晰，景深以外的物体成模糊像，这就造成获取到的图像均为部分在焦图像。在机器视觉的物体检测和分类识别的应用中，对于图像景深的要求极高，只有大景深才能保证场景内尽可能多的物体都在焦清晰。由于有限景深的存在，场景信息的采集深度和成像质量都受到影响，传统相机通常需要在景深和信噪比之间进行权衡，相机具有固定且单一的焦距，景深外像的模糊程度取决于焦距以及孔径尺寸的大小。通过减小光圈的方式提升景深，会导致信噪比降低，反之如果增大光圈，信噪比得以提升但是景深减少，由此可知，降低光圈孔径大小不是增大景深的最佳选择，特别是在暗场环境下，小光圈成像必然会造成图像强度减弱，严重影响成像效果。为了有效地解决此类问题，人们常采用增加曝光时间的方法来增加图像强度，然而增加曝光时间的成像方式在动态成像以及高速成像中表现不佳，无法实现动态场景下的高速、清晰以及大景深成像。为了有效地增大成像景深，全焦成像的方法应运而生，即场景内各个深度物体均在焦的成像方法。

作为现有技术的多聚焦图像获取方法，存在手动聚焦精度低，速度慢，图像采集效率较低的缺陷，此外，基于机械结构的自动聚焦方法相对手动聚焦方法的精度提升，但是多聚焦图像数目有限。基于特定光学器件的多聚焦图像采集方法各有优缺点，例如，基于电控液晶变焦透镜的调焦方法增加了微制动结构，增加了系统复杂度。基于DMD的部分聚焦方法成本较高，光谱扫描相机以及基于彩色滤波孔径的方法受到核心器件的限制，无法实现快速、高精度、大量的多聚焦图像采集，不利于多聚焦图像融合。此外，上述四种方法具有共同的缺点：聚焦深度范围有限。

优选地，为了解决现有的全焦融合算法中出现的问题，本申请的处理单元8应用基于引导滤波器的全焦融合算法对多聚焦图像进行全焦融合。引导滤波器是一种典型的非线性滤波器，可以最大限度地保留边缘信息，实现高速、高质量的全焦融合。为了提升多聚焦图像采集质量，采用光场成像的方法在单次曝光下进行多聚焦图像采集，保证了多聚焦图像背景信息的一致性和全焦融合输入信息的完备性，同时此方法还具有成本低、系统结构简单以及深度扩展范围广的优点，有效地实现了高质量的多聚焦图像采集。通过将基于引导滤波器的融合算法与光场成像相结合，形成基于引导滤波的单次曝光光场全焦融合处理系统，实现了高质量、大景深全焦图像的采集。

优选地，针对扫描过程中由于在获取角度分辨率的同时牺牲了空间分辨率，造成采集图像的空间分辨率较低的缺陷，本申请的处理单元8通过引入基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像系统的方式获取同时兼具高时间分辨率和空间分辨率的图像数据。现有扫描单元4在采集多聚焦图像时，由于在单次曝光下同时获取场景光线的强度信息和角度信息，虽然采集的图像信息具有很高的时间分辨率，但是通过光场成像获取的多聚焦图像受到微透镜单元个数以及对应传感器个数的限制，其空间分辨率往往较低，因而无法获取高分辨率的全焦图像。因此，通过增加卷积深度神经网络来实现光场低分辨率图像的单图超分辨。优选地，设定扫描单元4通过相邻扫描单元4采集到的图像边缘信息对设定扫描单元4所采集的低分辨率的光场部分在焦图像边缘区域进行补充，使得其图像边缘区域缺失的图像信息得到补充而提高单图的分辨率。优选地，利用此网络对低分辨率的光场部分在焦图像进行上采样，有效地提升多聚焦图像的分辨率，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率的全焦图像，进而实现对场景信息的高分辨率大景深的图像采集。优选地，处理单元8通过基于引导滤波的单次曝光来进行光场全焦融合的处理方式解决了传统多聚焦融合方法精度低、复杂度高、背景信息不一致、高频信息丢失等问题，实现单次曝光下全焦图像的采集，能有效获取大景深的场景信息。进一步优选地，处理单元8通过在基于引导滤波器的全焦融合的基础上，利用卷积深度神经网络实现对低分辨率光场部分在焦图像上的采样，有效地提升了全焦图像的空间分辨率，进而实现了高时空分辨率的全焦成像，达成大景深范围内高分辨率全焦图像采集的目标。

优选地，通过设置用于光场低分辨率图像单图超分辨的卷积深度神经网络，对低分辨光场图像进行上采样操作，从而有效地提升多聚焦图像的分辨率，进而弥补现有光场成像获取的多聚焦图像的空间分辨率低，无法利用引导滤波器获取高分辨率的全焦图像的缺陷，使得基于引导滤波器的全焦融合操作能够对已完成单图超分辨后的多聚焦图像进行处理，从而获取具有高时间分辨率和空间分辨率的全焦图像。优选地，超分辨处理是指从至少一幅低分辨率图像中重建高分辨率的图像，使得扫描单元4获取的原始图像经处理后能够输出具有高质量感知信息的高分辨图像。

优选地，引导滤波模块相比于常规的深度值索引法和小波融合算法，具有更好的边缘保持能力，更好地保证全焦融合得到的结果图的高频细节信息不丢失，从而相对于现有的图像融合具有更好的融合效果。进一步优选地，在引入引导滤波模块提高采集多聚焦图像的时间分辨率的情况下，通过引入能够完成单图超分辨处理的卷积深度神经网络对低分辨光场图像进行上采样操作，能有效地提升多聚焦图像的分辨率，进而弥补现有光场成像获取的多聚焦图像的空间分辨率低而无法利用引导滤波器获取高分辨率的全焦图像的缺陷。

优选地，低分辨率图像的构建过程包括：首先将高分辨率图像与模糊核进行卷积，然后对所得结果下采样，最后加上噪声影响因子n。单图超分辨算法的难点在于同一个低分辨率输入可能对应多个不同的高分辨率输出图像。

优选地，前述内容中设置的卷积神经网络可以包括压缩模块、重构模块和损失模块。优选地，压缩模块具有三个分别利用至少两个卷积层和一个最大池化层组成的子模块。优选地，压缩模块输出的数据能够在重构模块中完成上采样，并在经过损失模块后提高最终生成图像的空间平滑度。优选地，重构模块主要是由残密块(RDB)组成，在其主干结构中通过加入卷积层的方式实现图像融合混合并减少通道，使得整个结构能够采用像素混洗策略来灵活地实现上采样。优选地，在损耗模块中，输出结构具有16个权重层网络(VGG-16)，用于标记输入的预训练视觉几何组网络，以及在不同深度层输出ReLU的激活值，同时计算L1损耗，总损耗变量的作用是提高生成图像的空间平滑度。

实施例3

优选地，本申请还提供了一种线性扫描装置的扫描方法，其通过将卷积神经网络与光场成像结合，实现了高时间分辨率和高空间分辨率下的全焦图像采集，并且在扫描过程中加入了外连接的光谱图像采集设备，从而能有效地完成全焦图像的色彩重现，保证扫描输出的图像与原始物品在色彩上的一致性。如图1所示，扫描方法分为以下步骤：

S1：将待扫描的大幅面物品定位放置在完成位置归零后的运动滑台3上，通过控制运动滑台3的定向平移使待扫描的大幅面物品跟随运动滑台3的运动而以稳定的速度穿过扫描单元4的可扫描区域，使得扫描单元4能够通过分版块的方式完成多个线性图像信息的采集；

S2：确定光场成像采集待测区域的光场信息；

S3：基于宽光谱编码滤波单元进行光谱图像的获取：

S4：对采集到的光场信息进行解码并运用数字重聚焦算法获取低分辨率的多聚焦图像；

S5：运用深度神经网络对多聚焦图像进行采样获取高分辨率的光场多聚焦图像；

S6：建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，并依据建立的映射关系进行光场多聚焦图像与光谱图像的匹配和融合；

S7：运用基于引导滤波的全焦融合算法对具有色彩表征的多聚焦图像进行全焦融合处理并合成全焦图像。

优选地，照明单元5按照能够由扫描单元4的镜头限定的可扫描区域进行无死角补光的方式布设在扫描单元4的两侧，并且其能够在扫描单元4进行图像扫描的过程中通过调节其与扫描单元4之间的相对照射角度的方式消除待扫描物品上由于表面不平整而形成的阴影。优选地，悬架调整组件6能够根据扫描物品的厚度、表面平整度等情况调节扫描单元4的悬置高度，从而使得扫描单元4的镜头焦点始终能够定位于物品表面，从而获取准确的图像数据。

优选地，光场信息采集的过程是指在单次曝光中同时获取场景光线的强度信息和角度信息，此操作具有很高的时间分辨率，但是受到微透镜单元个数以及对应传感器个数的限制，光场成像的图像空间分辨率较低。通过卷积神经网络结构对低分辨率光场图像进行上采样操作，可有效提升图像分辨率，最后经过基于引导滤波器的全焦融合算法，得到具有高时空分辨率的全焦图像。优选地，重聚焦过程相当于对实际场景进行扫描，每一个扫描位置就是聚焦清晰的位置，在光场数字重聚焦过程中，扫描步长可以根据实际情况设置为足够小，这样可以保证在相同的采集深度范围内，获取足够多的部分聚焦图像，聚焦扫描精度高，多聚焦图像数量多，光场重聚焦的这种优势保证了后期全焦融合算法所需的多聚焦图像信息的完备性。基于深度神经网络的上采样方法可以重建更多的细节信息，在保留原始部分聚焦图像的聚焦特性的情况下，更大限度地恢复高频信息。

优选地，本申请采用的卷积神经网络中引入了卷积压缩模块，用于对图像进行一定程度的压缩，并通过压缩减少双线性插值方法与真实图像模糊核之间的差异，从而成功解决训练数据集问题。此外，在进行重构模块的构建时，通过选择基于残余密集网络(RDN)的结构，使得重构模块具有更好的性能。最后，本申请还使用预训练的卷积神经网络作为损失函数，实现更好的细节保持上采样效果。因此，本申请设置的卷积神经网络可以实现高质量的上采样，并且针对光场数字重聚焦图像具有更好的高频细节信息保留效果，从而基于深度神经网络的高时空分辨全焦成像技术可以实现具有高时间分辨率和高空间分辨率的全焦图像的获取，进而实现了具有大景深高分辨率的场景信息采集。

实施例4

CN104614339公开了一种油画的三维太赫兹成像方法，用以为修复师拟定修复方案提供科学依据。然而根据该专利，在根据待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息及其对应的反射信号光强并重建油画以得到油画的三维图像之后，修复师面对显示屏内的三维图像并不能很好地进行修复，而是需要借助于打印形成的复制品来反复练习，而后才敢于在真品乃至珍品上进行实际的修复。然而，参照该专利图3所示的扫描图可知，其扫描确定的三维图像在打印时并不能给出贴近原作的图像，只能给出真正的三维图像，用以判断各笔迹痕迹及其在相关深度方向上的颜料等。而借助于本发明实施例1至3的内容，可以扫描得到更为精细的图像并进行打印，以便修复师通过对照根据CN104614339形成的三维图像来在打印件上进行修复练习。

在本申请中，如图3所示的多个扫描单元4在并行地对大幅面待扫描区域(油画)进行信息采集时，各个扫描单元4是根据由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像来确定各自高度位置的，换而言之，各个扫描单元4在执行扫描时的高度位置是根据预先确定的三维图像来实时动态调整的。

优选地，安装在悬架调整组件6上的扫描单元4还可以采用矩阵排列，使得其在单次执行扫描时可以准确地获取到一个对应的矩形区域内物品表面所有数据。具体地，针对待扫描物品的一个矩形区域内的凹凸不平的表面进行扫描时，控制单元9根据由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像来确定一个矩形区域内不同位置处的扫描单元4的高度位置，从而可通过控制悬架调整组件6的工作来改变扫描单元4的升降，使得每个扫描单元4能够在控制单元9的控制下，调节其工作高度，进而矩阵排列的多个扫描单元4能够呈现出与物品表面相对应的高低起伏状态，每一个扫描单元4的焦点均可定位于对应位置的物品表面。

优选地，控制单元9可以根据运动滑台3的运动而实时动态调整多个扫描单元4的高低位置。在扫描单元4采集到物品表面一个矩形区域的数据后，运动滑台3能够带动待扫描物品进行步进式平移，使得矩阵排列的扫描单元4能够再次对一个未进行数据采集的矩形区域进行扫描。优选地，在扫描单元4进行扫描之前，控制单元9能够根据预先获取到的该区域物品表面的三维图像对扫描单元4的高度位置进行调节。此外，扫描单元4在采集到物品表面数据后，其在将相应数据交由处理单元8进行处理时，处理单元8是根据预先确定的三维图像来修正各个扫描单元4所采集的图像的，尤其是修正取景范围、景深，从而方便与扫描装置相关联的打印设备能够准确地打印出具有与原物品相一致的物品表面形状和色彩。

具体地，控制单元9可在扫描单元4完成一个矩形区域内的扫描操作后，在运动滑台3带动待扫描物品进行步进式运动的同时，根据预先接收的扫描物品的整个三维图像定位出下一待扫描矩形区域的三维图像，从而在运动滑台3运动的同时完成矩阵排列的若干个扫描单元4各自对应的高度位置调节，从而在运动滑台3带动待扫描物品移动至待扫描区后，扫描单元4立即完成该区域的扫描工作，进而在运动滑台3完成单次步进式平移后的短暂停滞时间内，扫描单元4即可准确地完成该矩形区域的扫描。在运动滑台3的继续运动过程中，控制单元9能够对应地控制扫描单元4进行适应性的工作位置调节，从而实现运动滑台3的持续运动和扫描单元4的实时动态调节以完成大幅面的扫描工作。

优选地，扫描单元4的矩阵排列能够与运动滑台3的运动相适配，使得若干个扫描单元4根据预先接收的由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像进行各自的工作高度调节的调节期恰好能够与步进式运动滑台3的运动周期相对应，从而扫描单元4能够预先调节自身扫描高度至待扫描物品的对应表面位置所需的扫描高度，进而在静止状态下完成待扫描物品一个矩形区域的扫描工作。在完成一个矩形区域的扫描操作后，运动滑台3带动待扫描物品进行运动方向不变的二次运动，扫描单元4同步地进行高度位置的调节并提前完成高精度的对焦，从而在运动滑台3带动待扫描物品完成一个矩形宽度的平移后，扫描单元4能够在运动滑台3步进间隙的停滞时间快速完成高精度的扫描和数据获取。本申请的扫描方式是矩阵排列的若干个扫描单元4进行同步的扫描，其扫描在运动滑台3停滞的瞬间即可完成，使得运动滑台3多个步进运动的停滞间隙尽可能地缩短，从而多个步进运动相拼接可以近似于一个持续运动的过程，扫描单元4的高度位置调节也是一个持续的过程，从而相对于现有技术中的高速扫描方式大大提高了扫描精度且同时也保证了扫描效率。

相对于现有技术中采用待扫描物品或扫描装置的持续高速运动完成待扫描物品表面的扫描工作，本申请通过将运动滑台3设置为步进式运动，使得扫描单元4能够在待扫描物品处于静止状态下完成物品表面的扫描，大大提高了扫描单元4的对焦精度和扫描数据的准确度，尤其是相对于运动状态下的物品表面扫描，本申请静止状态下的扫描操作具有更高的扫描质量，并且能够在完成扫描后，处理单元8立即对扫描图像是否存在阴影等进行验证，控制单元9根据验证结果调节运动滑台3的运动状态，使得扫描单元4能够立即对该区域进行二次扫描，避免了在完成所有区域扫描和图像拼接后再进行验证和修正的繁杂工作量。扫描单元4对一个矩形区域的扫描是指多个扫描单元4进行分块扫描，其扫描过程耗时极短，无需特别设置扫描时长，仅需要将其扫描工作时间点与运动滑台3的步进运动周期相匹配，使得两者的工作周期相重叠即可。优选地，在扫描单元4需要进行同区域的二次扫描时，控制单元9控制运动滑台3的停滞时间增加一个步进时长，此时，控制单元9通过调节照明单元5的工作位置以消除物品表面该区域存在的扫描阴影。扫描单元4在照明单元5完成二次调节后进行二次扫描。

优选地，照明单元5的工作位置也是根据由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像进行变换的。具体地，控制单元9在调节扫描单元4的高度位置的同时依据待扫描物品的三维图像对照明单元5的照明高度和角度进行适应性调节，使得照明单元5通过光照消除待扫描物品矩形区域表面可能存在的阴影。照明单元5与扫描单元4依据控制单元9预先接收的由三维太赫兹成像方法(CN104614339)所确定的三维图像进行同步运动，既可以高效准确地获取高精度扫描图像，同时还能够避免传统步进式扫描的调节操作对时间的耗费。尤其是，本申请的矩阵排列的扫描单元4的高度位置调节能够与运动滑台的单个步进运动时间相重叠，使得两者保持持续运动的停滞间隙即可完成一个矩形区域的扫描工作，通过运动滑台的持续运动和扫描单元4持续起伏的工作位置变换大大提高了扫描效率且有效地保证了扫描精度。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (10)

1.一种线性扫描装置，其至少包括运动滑台(3)和扫描单元(4)，所述运动滑台(3)能够带动放置在其工作面上的待扫描物品以发生定向平移的方式穿过所述扫描单元(4)所限定出的可扫描工作区域，其特征在于，所述扫描单元(4)至少包括能够进行多聚焦图像采集的第一扫描模块组(41)和进行光谱图像采集的第二扫描模块组(42)，其中，

所述第一扫描模块组(41)通过光场成像的方式在单次曝光下进行多聚焦图像采集；

所述第二扫描模块组(42)是按照光谱成像的方式完成光谱图像在光谱维度上的编码获取与重建；

通过求取所述第一扫描模块组(41)和第二扫描模块组(42)之间的相对坐标位置并将所述相对坐标位置与采集图像中的同一特征标记点相结合的方式建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，从而可通过多聚焦图像与光谱图像的二次融合获取到具有色彩表征的扫描图像。

2.如权利要求1所述的线性扫描装置，其特征在于，所述第二扫描模块组(42)还能够对采集到的光谱图像进行二次处理以获取光谱图像在世界坐标系中的位置姿态参数；

获取对多聚焦图像完成全焦融合操作后得到的全焦图像在世界坐标系中的所对应的外参数；

根据已建立的多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系对位置姿态参数与外参数进行相互匹配，从而生成具有色彩表征的全焦融合图像。

3.如权利要求1所述的线性扫描装置，其特征在于，所述扫描单元(4)通过悬架调整组件(6)悬置于所述运动滑台(3)的上方，从而可通过控制所述悬架调整组件(6)的工作调节所述扫描单元(4)的工作位置，使得所述扫描单元(4)的在焦可扫描区域定位于待扫描物品表面。

4.如权利要求3所述的线性扫描装置，其特征在于，所述第一扫描模块组(41)和第二扫描模块组(42)均采用并排布设的方式安装至所述悬架调整组件(6)的工作端，使得任意所述第一扫描模块组(41)和第二扫描模块组(42)均能在所述运动滑台(3)带动待扫描物品进行定向平移的过程中采集到条形的线性在焦图像。

5.如权利要求4所述的线性扫描装置，其特征在于，所述悬架调整组件(6)至少包括能够带动整个所述扫描单元(4)进行工作位置调节的第一调节机构(61)和能够控制所述第一扫描模块组(41)的至少一个第一扫描模块进行工作位置调节的第二调节机构(62)，其中，

相对设置在运动滑台(3)两侧的两个所述第一调节机构(61)的工作端分别与同一个第二调节机构(62)的端部连接。

6.如权利要求5所述的线性扫描装置，其特征在于，所述扫描单元(4)的两侧还分别设置有能够对可扫描区域进行补光的照明单元(5)；

所述照明单元(5)能够根据所述扫描单元(4)的工作位置和待扫描物品表面情况调节其光线出射角度，使得所述扫描单元(4)能够获取到待扫描物品的无阴影的表面信息。

7.如权利要求6所述的线性扫描装置，其特征在于，所述照明单元(5)根据所述扫描单元(4)的扫描模块的排列方式构建出线状阵列照明光源，并且所述照明单元(5)的光源出射端还覆盖有能够对出射光线进行处理的滤光单元(57)。

8.如权利要求7所述的线性扫描装置，其特征在于，所述扫描单元(4)获得的多聚焦图像与光谱图像均被传输至处理单元(8)进行图像数据的验证、修正和拼接，从而输出具有高时空分辨率和准确的色彩表征的全焦融合图像。

9.如权利要求8所述的线性扫描装置，其特征在于，所述扫描单元(4)采集的图像数据以有序排列的方式被传输至所述处理单元(8)，所述处理单元(8)能够选择性地进行基于引导滤波器的全焦融合处理、基于深度神经网络的高时空分辨率全焦成像操作和图像色彩重现操作。

10.一种线性扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法至少包括以下步骤：

S1：将待扫描的大幅面物品定位放置在完成位置归零后的运动滑台(3)上，通过控制运动滑台(3)的定向平移使待扫描的大幅面物品跟随运动滑台(3)的运动而以稳定的速度穿过扫描单元(4)的可扫描区域，使得扫描单元(4)能够通过分版块的方式完成多个线性图像信息的采集；

S2：确定光场成像采集待测区域的光场信息；

S3：基于宽光谱编码滤波单元进行光谱图像的获取；

S4：对采集到的光场信息进行解码并运用数字重聚焦算法获取低分辨率的多聚焦图像；

S5：运用深度神经网络对多聚焦图像进行采样，获取高分辨率的光场多聚焦图像；

S6：建立多聚焦图像与光谱图像之间的映射关系，并依据建立的映射关系进行光场多聚焦图像与光谱图像的匹配和融合；

S7：运用基于引导滤波的全焦融合算法对具有色彩表征的多聚焦图像进行全焦融合处理并合成全焦图像。

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