CN116626969A - 一种投影仪及面结构光系统 - Google Patents

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周政
刘强生
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Abstract

本申请公开了一种投影仪及面结构光系统。本申请公开的投影仪包括数字微镜模块和投影镜头,所述数字微镜模块包括像素阵列,所述像素阵列包括多个微镜单元,所述多个微镜单元按照预设的像素间距呈矩阵排列,且相邻的微镜单元之间具有间隙,所述间隙的宽度小于所述像素间距;所述投影镜头包括多个透镜,所述多个透镜的球差组合使得所述投影镜头的最高分辨率为R线对/毫米,其中R=1/(2*像素间距)。本申请的投影仪消除投影图像中的DMD缝隙,提升三维重建的准确性。

Description

一种投影仪及面结构光系统
技术领域
本申请涉及3D成像技术领域,特别涉及一种投影仪及面结构光系统。
背景技术
随着虚拟现实技术、3D打印技术、无人飞行/驾驶技术的发展,业内发展出了众多的3D成像技术,摄像机(Camera)和投影仪(Projector)组成的面结构光系统就是其中之一。
使用面结构光系统对物体进行测量时,通过投影仪投射相移正弦条纹到被测物体表面,摄像机采集被测物体上的2D条纹图像,根据摄像机拍摄的条纹的图像坐标与相位的关系,得到对应的图像坐标,根据对应的投影仪图像坐标,计算得到被测物体的世界坐标,从而完成被测物体的三维重建。目前,相移算法是工业上用的最多、最稳定的计算绝对相位的方法之一。但是由于计算相位时,会用到三角函数,就会出现相位包裹(或称截断)情况,如图1所示。为了恢复连续的相位必须对包裹相位进行展开,也就是相位解包裹,其如图2所示。相位展开是一种积分的过程,即通过比较两相邻像素点的截断相位值(介于-π和+π之间),加上(或减去)2π的整数倍,重建连续的相位分布。
投影仪需要投射能量渐变图像(编码图像)到被测物体,作为目前主流的投影技术之一,采用数字光学处理器(Digital Light Processor,DLP)的投影仪的核心部件是数字微型反射镜元件(Digital Micromirror Device,DMD),或者称为DMD芯片。DMD芯片是由多个微镜单元组成的矩阵,每个微镜单元相当于一面小镜子。DMD芯片中相邻的镜子与镜子之间有间隙(空隙),间隙的无法反射光,在投影图案中形成对应的黑暗区域,导致深度信息出现不应该有的不连续,这将导致解相位包裹出现错误,对整体的图像算法存在很大的影响,可能导致三维重建图像与被测物体的对应性较差,也就是说面结构光系统的测量准确度降低;或者在算法可以对间隙导致的深度不连续进行针对性识别或消除,但如此一来算法将十分复杂,对应的导致系统硬件成本上升或系统开销增加。
发明内容
本申请目的之一在于提供一种投影仪,以解决现有技术中微镜单元之间存在间隙造成三维重建准确性降低的技术问题。
本申请实施方式提供的一种投影仪,其包括数字微镜模块和投影镜头,所述数字微镜模块包括像素阵列,所述像素阵列包括多个微镜单元,所述多个微镜单元按照预设的像素间距呈矩阵排列,且相邻的微镜单元之间具有间隙,所述间隙的宽度小于所述像素间距;所述投影镜头包括多个透镜,所述多个透镜的球差组合使得所述投影镜头的最高分辨率为R线对/毫米,其中R=1/(2*像素间距)。
在一些实施方式中,所述像素阵列为正交像素阵列。
在一些实施方式中,所述像素阵列菱形像素阵列。
在一些实施方式中,所述微镜单元为正方形,所述像素间距为所述相邻两个微镜单元中心之间的距离,所述间隙介于所述相邻两个微镜单元相邻的两个侧边之间。
在一些实施方式中,所述像素间距为所述微镜单元的两个相对侧边之间的距离,所述间隙介于所述相邻两个微镜单元相邻的两个侧边之间。
在一些实施方式中,所述像素间距为0.76微米,所述最高分辨率为65线对/mm。
在一些实施方式中,所述投影镜头的累计球差系数为0.001792。
在一些实施方式中,所述多个透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜,其中所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜自物面侧到成像侧依次排列。
在一些实施方式中,所述第一透镜的物侧面球差系数为0.000017,所述第一透镜的像侧面球差系数为0.000001;所述第二透镜的物侧面球差系数为0.000113,所述第二透镜的像侧面球差系数为-0.001767;所述第三透镜的物侧面球差系数为0.000001;所述第四透镜的物侧面球差系数为-0.001163,所述第四透镜的像侧面球差系数为0.003884;所述第五透镜的物侧面球差系数为-0.000012,所述第五透镜的像侧面球差系数为0.000877;所述第六透镜的物侧面球差系数为-0.000177,所述第六透镜的像侧面球差系数为0.000021;所述玻璃板的物侧面的球差系数为-0.000008,所述玻璃板的像侧面的球差系数为0.000005。
在一些实施方式中,所述第一透镜的物侧面曲率半径为52.3毫米,所述第一透镜的像侧面曲率半径为-671.7毫米;所述第二透镜的物侧面曲率半径为10.9毫米,所述第二透镜的像侧面曲率半径为5.7毫米,所述第二透镜的厚度为3.91毫米;所述第三透镜的物侧面曲率半径为-29.2毫米,所述第三透镜的厚度为3.02毫米;所述第四透镜的像侧面曲率半径为-8.2毫米,所述第四透镜的厚度为9.56毫米;所述第五透镜的物侧面曲率半径为-772.2毫米,所述第五透镜的像侧面曲率半径为-28.4毫米,所述第五透镜的厚度为9.71毫米;所述第六透镜的物侧面和像侧面曲率半径均为无限,所述第六透镜的厚度为26.62毫米。
在一些实施方式中,所述投影镜头还包括光阑,所述光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间,所述第二透镜与所述第一透镜之间的间距为18.67毫米,所述第二透镜与所述光阑之间的距离为1.1毫米,所述光阑紧挨所述第三透镜,所述第三镜头与所述第四镜头组成胶合透镜,所述第四透镜与所述第五透镜之间的间距为6.64毫米,所述第五透镜与所述第六透镜之间的间距为4.29毫米,所述第六透镜与所述玻璃板之间的距离为1毫米。
本申请的另一个目的在于提供一种面结构光系统,其包括用于投射编码图像到被测物体的投影仪和用于拍摄所述被测物体表面的所述编码图像的摄像机,其中所述投影仪包括数字微镜模块和投影镜头,所述数字微镜模块包括像素阵列,所述像素阵列包括多个微镜单元,所述多个微镜单元按照预设的像素间距呈矩阵排列,且相邻的微镜单元之间具有间隙,所述间隙的宽度小于所述像素间距;所述投影镜头包括多个透镜,所述多个透镜的球差组合使得所述投影镜头的最高分辨率为R线对/毫米,其中R=1/(2*像素间距)。
依据本发明实施例的面结构光系统通过对投影镜头保留一定球差设计,使得投影镜头的最高分辨率等于微镜单元的像素间距,使得具有像素间距尺寸的微镜单元反射光形成的图像能清晰经投影镜头投射出去,而小于像素间距的微镜单元间隙不能被清晰投射出去,从而投影图像中可以消除微镜单元间隙所导致的深度信息不连续,从而能更准确的反应被测物体的深度信息,利于三维重建的准确性,且不需要复杂算法来识别间隙导致的深度不连续,减小系统开销,降低系统的整体成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的方案,下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施例,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示出了相位包裹的示意图;
图2示出了相位展开的示意图;
图3是本申请一种实施方式面结构光系统的系统结构示意图;
图4是本申请一种实施方式的投影仪的数字微镜模块的简化示意图;
图5是本申请另一种实施方式的投影仪的数字微镜模块的简化示意图;
图6是本申请一种实施方式的投影仪的投影镜头的示意图;
图7是图6所示投影镜头的光线传播示意图;
图8是本申请实施方式的投影镜头的点列图;
图9是本申请实施方式的投影镜头的MTF示意图;
图10是本申请实施方式的投影镜头的场曲与畸变曲线示意图;
图11是本申请实施方式的用于面结构光系统的投影镜头投射的条纹图案与现有技术中投影镜头的条纹图案的对比示意图。
具体实施方式
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同;本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本申请;本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象,而不是用于描述特定顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。
请参看图3,是本申请一种实施方式面结构光系统的系统结构示意图。本实施方式的面结构光系统100包括摄像机1和投影仪,其中投影仪用于投射编码图像到被测物体O的投影仪,在一个示例中,编码图像可以是黑白相间的竖直条纹图。摄像机1用于拍摄被测物体O表面的所述编码图像,由于被测物体O是三维立体结构物体,投射到被测物体O表面的编码图像会因为物体表面的凹凸产生扭曲,而扭曲的黑白条纹图像相当于是经被测物体进行了高度调制,而从黑白条纹图像的相位差可以推算出高度信息,根据得到的高度信息就可以对被测物体进行三维重建。
投影仪包括数字微镜模块7和投影镜头10,以及投影光源2和光学系统5。在一个示例中,投影光源2投射出白光,光学系统5包括滤色转盘、冷凝镜头和修正镜头等部件,光学系统将光源生成多种颜色的光线,多色光线经数字微镜模块7反射后,再经投影镜头10将图像投射到被测物体O。
请再参看图4,是本申请一种实施方式的投影仪的数字微镜模块的简化示意图。数字微镜模块7具体可以是一个DMD芯片,其包括由多个微镜单元70组成的像素阵列,所述多个微镜单元70按照预设的像素间距P呈矩阵排列,且相邻的微镜单元70之间具有间隙72。在本例中,像素阵列为菱形像素阵列,具体的,每个微镜单元70包括四个侧边,其中微镜单元70的对角线与DMD芯片的边沿垂直或平行,或者说微镜单元70相对于DMD芯片的边沿按照对角线形式排列。像素间距P为相邻两个微镜单元70的中心C之间的距离,而间隙72介于所述相邻两个微镜单元70相邻的两个侧边之间。
请再参看图5,是本申请另一种实施方式的投影仪的数字微镜模块的简化示意图。相对于图4所展示的菱形像素阵列,图5实施方式的像素阵列为正交像素阵列。作为另一个示例,像素间距L也可以定义微镜单元80的两个相对侧边之间的距离,间隙82介于所述相邻两个微镜单元80相邻的两个侧边之间,间隙82的宽度S小于像素间距P或L。
作为示例,本申请各实施方式中的像素间距P=0.76微米。
请继续参看图6和图7,图6是本申请一种实施方式的投影仪的投影镜头10的示意图,图7是图6所示投影镜头的光线传播示意图。在本申请中,投影镜头10包括多个透镜,所述多个透镜的球差组合使得所述投影镜头的分辨率等于或者小于R线对/毫米,其中R=1/2*像素间距。作为示例,投影镜头10包括第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16,其中所述第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16自物面侧到成像侧依次排列,物面侧为靠近DMD芯片的一侧。
表1
序号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 半口径
0 STANDARD 无限 128 38.41777
1 STANDARD 52.38406 3.369862 H-ZF6 11.43824
2 STANDARD -671.747 18.67953 10.98364
3 STANDARD 10.96342 3.911182 H-ZF88GT 2.991948
4 STANDARD 5.774316 1.10036 1.776939
5 STANDARD 无限 0.5 0.867795
6 STANDARD -29.2767 3.029967 H-ZF52 1.622462
7 STANDARD 9.652582 9.557575 H-ZPK2A 2.526568
8 STANDARD -8.2387 6.641666 5.453507
9 STANDARD -772.201 9.712886 H-ZLAF75A 6.960409
10 STANDARD -28.453 4.295354 7.810455
11 STANDARD 无限 26.62 H-ZLAF2A 7.485325
12 STANDARD 无限 1 6.583656
13 STANDARD 无限 0.65 EAGLEXG 6.521732
14 STANDARD 无限 0.302025 6.495286
15 STANDARD 无限 0 5.976584
在如表1所示的实施方式中,第一透镜11物侧面(表1中序号为1)的曲率半径为52.3毫米(mm),像侧面的曲率半径为-671.7mm,其厚度可在3.36mm左右,可选用材料型号为H-ZF6或类似的光学玻璃;第二透镜12物侧面的曲率半径为10.9mm,像侧面的曲率半径为5.7mm,其厚度可在3.91mm左右,可选用材料型号为H-ZF88GT或类似的光学玻璃;第三透镜13物侧面的曲率半径为-29.2mm,厚度可选3.02mm左右,可选用材料型号为H-ZF52或类似的光学玻璃;第四透镜14与第三透镜13组成胶合透镜,胶合面的曲率半径为9.6mm,第四透镜14像侧面的曲率半径为-8.2mm,厚度约为9.56mm,可选用材料型号为H-ZPK2A或类似的光学玻璃;第五透镜15物侧面的曲率半径为-772.2mm,像侧面的曲率半径为-28.4mm,厚度约为9.71mm,可选用材料型号为H-ZLAF75A或类似的光学玻璃;第六透镜16物侧面的曲率半径为无限(即物侧面为平坦面),像侧面的曲率半径为无限,厚度可选26.62mm左右,可选用材料型号为H-ZLAF2A或类似的光学玻璃。
投影镜头10的其他参数具体可以参看表1,比如投影镜头10还包括位于第二透镜12与第三透镜13之间的光阑(对应表1中序号为5的平面),光阑厚度为0.5mm。投影镜头10还可以进一步包括玻璃板20,玻璃板20位于第六透镜16像侧面的一侧,玻璃板20的厚度可选0.65mm。第一透镜11与物平面(表1中序号为0)之间的距离为128mm;第二透镜12与第一透镜11之间的间距约为18.67mm,第二透镜12与光阑之间的距离约为1.1mm,光阑紧挨第三透镜13,第四透镜14与第五透镜15之间的间距约为6.64mm,第五透镜15与第六透镜16之间的间距约为4.29mm,第六透镜16与玻璃板20之间的距离约为1mm。投影镜头10所包含各透镜或元件的口径大小可参看表1“半口径”一列,此处不再详细展开描述。
通过表1实施例的投影镜头10的参数设计,可以得到如表2所示的德赛尔像差系数。表2中SPHA、COMA、ASTI、FCUR分别表示球差、彗差、像散、场曲。其中第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15和第六透镜16的球差通过表2可知其具体数值,具体的,第一透镜11物侧面球差系数为0.000017,像侧面球差系数为0.000001;第二透镜12物侧面球差系数为0.000113,像侧面球差系数为-0.001767;第三透镜13物侧面球差系数为0.000001;第四透镜14物侧面球差系数为-0.001163,像侧面球差系数为0.003884;第五透镜15物侧面球差系数为-0.000012,像侧面球差系数为0.000877;第六透镜16物侧面球差系数为-0.000177,像侧面球差系数为0.000021;玻璃板20物侧面的球差系数为-0.000008,像侧面的球差系数为0.000005。投影镜头10的累计球差系数为0.001792。类似的,各个透镜的彗差、像散、场曲可以通过表1获知,此处不再展开描述。
表2
本实施方式中,通过对投影镜头10进行一定的光学设计,使得其具有一定的球差,该球差的存在使得投影图像中因为微镜单元间隙导致的图像深度信息不连续的情况被模糊化处理而消除,同时微镜单元本身所反射出的图像信息又能被清晰投影。
请参看图8~图10,分别是本申请前述实施方式的投影镜头按照表1、表2参数获得的点列图、MTF示意图和畸变曲线示意图。其中点列图中左上角第一个图为中心视场(像场位置为中心)的点光源成像形成的弥散图像,虽然图中仅有黑色表示,但本领域技术人员可知该图是多波长光线,比如三色光成像的综合点列图。除上述左上角第一个图以外,其他图表示不同视场或像场不同位置的成像情形。图9所示MTF曲线中可以看出,OTF值(OpticalTransfer Function,光学传递函数)为0.03左右时,投影镜头10的分辨率R=1/(2*像素间距)=1/(2*0.0076mm)=65线对/mm(lp/mm)左右,也就是投影镜头10的最高分辨率为65线对/mm,可以对像素间距所表征的尺寸的微镜单元70、80代表的单一像素点进行分辨,从而对每个微镜单元70、80所反射图像进行清晰投影,而对小于像素间距的微镜单元之间的间隙不能清晰分辨,对应的在投影图像中原本由于间隙引起的细黑纹路被模糊化或者被渐变灰度所替代,使得投影图像所隐含的深度信息减少非正常的不连续,具体可参看图11,其中图11左边图,即图11(a)表示现有技术中投影镜头的投射出的条纹图案的实拍图,右边即图11(b)表示本申请实施方式的投影仪投射出的条纹图案的实拍图,可以看出左图中白色大条纹区有一些细小的黑色纹路,这些黑色纹路就是DMD缝隙(也就是微镜单元间隙)所引起的,而右图则可以明显看到白色大条纹区的黑色纹路被消除了。图10所示出了本申请投影仪的投影镜头10的场曲与畸变曲线。
本发明实施例的面结构光系统100通过对投影镜头10的特定球差设计,使得投影镜头10的最高分辨率等于微镜单元的像素间距,使得具有像素间距尺寸的微镜单元反射光形成的图像能清晰经投影镜头投射出去,而小于像素间距的微镜单元间隙不能被清晰投射出去,从而投影图像中可以消除微镜单元间隙所导致的深度信息不连续,从而能更准确的反应被测物体的深度信息,利于三维重建的准确性,且不需要复杂算法来识别间隙导致的深度不连续,减小系统开销,降低系统的整体成本。
应理解,本申请实施例中涉及到数值的部分,其精确数值示例不应用于限制本申请的范围,在基于本申请构思下的合理参数数值变化及数值变化组合均在保护范围之内。
本文参照了各种示范实施例进行说明。然而,本领域的技术人员将认识到,在不脱离本文范围的情况下,可以对示范性实施例做出改变和修正。例如,各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件,可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现(例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中)。
虽然在各种实施例中已经示出了本文的原理,但是许多特别适用于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和部件的修改可以在不脱离本披露的原则和范围内使用。以上修改和其他改变或修正将被包含在本文的范围之内。
前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而,本领域技术人员将认识到,可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此,对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的,并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样,有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而,益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素,或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体,皆属于非排他性包含,这样包括要素列表的过程、方法或设备不仅包括这些要素,还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统或设备的其他要素。此外,本文中所使用的术语“耦合”和其任何其他变体都是指物理连接、电连接、磁连接、光连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。
具有本领域技术的人将认识到,在不脱离本发明的基本原理的情况下,可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此,本发明的范围应根据以下权利要求确定。

Claims (10)

1.一种投影仪,其特征在于,包括:
数字微镜模块,所述数字微镜模块包括像素阵列,所述像素阵列包括多个微镜单元,所述多个微镜单元按照预设的像素间距呈矩阵排列,且相邻的微镜单元之间具有间隙,所述间隙的宽度小于所述像素间距;
投影镜头,所述投影镜头包括多个透镜,所述多个透镜的球差组合使得所述投影镜头的最高分辨率为R线对/毫米,其中R=1/(2*像素间距)。
2.根据权利要求1所述的投影仪,其特征在于,所述像素阵列为正交像素阵列或菱形像素阵列。
3.根据权利要求1所述的投影仪,其特征在于,所述微镜单元为正方形,所述像素间距为所述相邻两个微镜单元中心之间的距离,或者所述像素间距为所述微镜单元的两个相对侧边之间的距离;所述间隙介于所述相邻两个微镜单元相邻的两个侧边之间。
4.根据权利要求1所述的投影仪,其特征在于,所述多个透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和玻璃板,其中所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜和所述玻璃板自物面侧到成像侧依次排列。
5.根据权利要求4所述的投影仪,其特征在于,所述第一透镜的物侧面球差系数为0.000017,所述第一透镜的像侧面球差系数为0.000001;所述第二透镜的物侧面球差系数为0.000113,所述第二透镜的像侧面球差系数为-0.001767;所述第三透镜的物侧面球差系数为0.000001;所述第四透镜的物侧面球差系数为-0.001163,所述第四透镜的像侧面球差系数为0.003884;所述第五透镜的物侧面球差系数为-0.000012,所述第五透镜的像侧面球差系数为0.000877;所述第六透镜的物侧面球差系数为-0.000177,所述第六透镜的像侧面球差系数为0.000021;所述玻璃板的物侧面的球差系数为-0.000008,所述玻璃板的像侧面的球差系数为0.000005。
6.根据权利要求4所述的投影仪,其特征在于,所述第一透镜的物侧面曲率半径为52.3毫米,所述第一透镜的像侧面曲率半径为-671.7毫米;所述第二透镜的物侧面曲率半径为10.9毫米,所述第二透镜的像侧面曲率半径为5.7毫米,所述第二透镜的厚度为3.91毫米;所述第三透镜的物侧面曲率半径为-29.2毫米,所述第三透镜的厚度为3.02毫米;所述第四透镜的像侧面曲率半径为-8.2毫米,所述第四透镜的厚度为9.56毫米;所述第五透镜的物侧面曲率半径为-772.2毫米,所述第五透镜的像侧面曲率半径为-28.4毫米,所述第五透镜的厚度为9.71毫米;所述第六透镜的物侧面和像侧面曲率半径均为无限,所述第六透镜的厚度为26.62毫米。
7.根据权利要求4所述的投影仪,其特征在于,所述投影镜头还包括光阑,所述光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间,所述第二透镜与所述第一透镜之间的间距为18.67毫米,所述第二透镜与所述光阑之间的距离为1.1毫米,所述光阑紧挨所述第三透镜,所述第三镜头与所述第四镜头组成胶合透镜,所述第四透镜与所述第五透镜之间的间距为6.64毫米,所述第五透镜与所述第六透镜之间的间距为4.29毫米,所述第六透镜与所述玻璃板之间的距离为1毫米。
8.根据权利要求1所述的投影仪,其特征在于,所述像素间距为0.76微米,所述最高分辨率为65线对/mm。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的投影仪,其特征在于,所述投影镜头的累计球差系数为0.001792。
10.一种面结构光系统,包括用于投射编码图像到被测物体的投影仪和用于拍摄所述被测物体表面的所述编码图像的摄像机,其特征在于,所述投影仪为权利要求1-9任意一项所述的投影仪。
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