CN117292094A - 一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体为一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法及系统，包括以下步骤：基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型。本发明中，通过模拟声波在岩洞中的传播和人耳的接收效果，能为观众提供真实的3D声音体验，基于深度学习和图像映射技术，能够实时捕捉和适应岩洞内的环境变化，使3D内容投影更为真实、准确，借助自然语言处理和计算机视觉，提供个性化和充满互动的导览体验，通过运动捕捉和物理引擎，演员的动作能够实时转化为虚拟角色，增强表演的互动性，计算流体动力学的引入使得岩洞内的气候效果仿真得以实现。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法及系统。
背景技术
虚拟现实是一种涵盖计算机图形、仿真、感知技术的技术领域，旨在为用户提供沉浸式、仿真的体验。VR技术包括了头戴式显示器、手部追踪、交互式3D模型和环境建模等技术，旨在模拟现实或虚构的环境，使用户能够与之互动，感受其中。
其中，岩洞内演艺剧场的数字化应用方法是一种将虚拟现实技术应用于自然或人工岩洞内进行艺术表演和娱乐体验的方法。这涉及创建虚拟现实环境，使参与者感觉好像置身于一个虚拟的岩洞中，而不是实际的岩洞。这一方法包括虚拟环境的创建，利用头戴式虚拟现实设备，以及提供互动性。其目的是为观众提供沉浸式、与众不同的娱乐和文化体验，让他们感觉好像真的置身于一个虚拟的岩洞中，并与虚拟环境互动，以呈现出独特而令人难忘的岩洞艺术空间。
现有的岩洞内演艺剧场数字化应用方法存在一些明显的不足。首先，对声音的处理往往较为简单，缺乏对岩洞特有的声学特性和人耳接收的深入模拟，导致声音体验不够真实和沉浸式。其次，现有方法在内容投影方面不能充分考虑岩洞的物理特性和环境变化，使得3D内容在不规则的岩洞表面上的投影效果不佳。此外，个性化和互动性的缺失，使得每位观众的体验相对单一，难以根据其兴趣和互动进行调整。在角色模拟和气候效果仿真方面，现有方法往往停留在较为基础的层次，缺乏真实感和交互性。这些不足导致观众在岩洞内的体验感受较为平淡，缺乏深度和广度。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法及系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，包括以下步骤：
S1：基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型；
S2：基于所述3D声音效果模型，采用深度学习算法，实时捕捉岩洞内的环境变化，利用图像映射技术，将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，生成环境适应性的3D内容投影；
S3：基于所述环境适应性的3D内容投影，利用自然语言处理技术，为用户生成基于其兴趣和互动的故事叙述，结合计算机视觉技术，生成个性化的虚拟导览体验；
S4：基于所述个性化的虚拟导览体验，利用运动捕捉技术，实时捕获演员的动作，结合物理引擎，将演员动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型；
S5：基于所述互动效果的虚拟角色模型，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，利用物理引擎来模拟包括冷风、水雾的气候效果，生成虚拟气候模型；
S6：基于所述虚拟气候模型，结合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验、互动效果的虚拟角色模型，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验。
作为本发明的进一步方案，基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型的步骤具体为：
S101：基于岩洞内部的物理结构，采用有限元分析法，对岩洞的形状、大小及其特性进行数字化建模，并生成岩洞数字模型；
S102：基于所述岩洞数字模型，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，并生成声波传播路径模型；
S103：基于所述声波传播路径模型，采用模态分析法，模拟声波的传播特性，并生成岩洞声学响应模型；
S104：基于所述岩洞声学响应模型，采用HRTF技术，模拟人耳在岩洞中接收到的声音的立体效果，并生成3D声音效果模型；
所述岩洞数字模型具体为岩洞的三维数字表示，包括岩洞的形状、大小和材质特性，所述声波传播路径模型包括声波的传播路径、反射点和吸收特性，所述岩洞声学响应模型具体指岩洞内的多点声压级分布，所述3D声音效果模型包括左右耳的声压级和相位差。
作为本发明的进一步方案，基于所述3D声音效果模型，采用深度学习算法，实时捕捉岩洞内的环境变化，利用图像映射技术，将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，生成环境适应性的3D内容投影的步骤具体为：
S201：基于岩洞数字模型，采用卷积神经网络，实时捕捉岩洞内部的环境变化，并生成岩洞环境数据；
S202：基于所述岩洞环境数据和岩洞数字模型，采用光照渲染算法，并生成预渲染的3D内容；
S203：基于所述预渲染的3D内容，采用纹理映射技术，将3D内容适应性地投射到岩洞的不规则表面上，并生成3D内容适应性映射；
S204：结合岩洞声学响应模型，采用声学优化技术，对所述3D内容适应性映射进行声学效果优化，并生成环境适应性的3D内容投影；
所述岩洞环境数据包括岩洞内部的光照、湿度和温度变化，所述预渲染的3D内容具体指对应于岩洞环境的3D图像，所述3D内容适应性映射具体为考虑岩洞表面凹凸和特性的3D内容投影，所述环境适应性的3D内容投影包括与岩洞声学特性匹配的3D内容和声音效果。
作为本发明的进一步方案，基于所述环境适应性的3D内容投影，利用自然语言处理技术，为用户生成基于其兴趣和互动的故事叙述，结合计算机视觉技术，生成个性化的虚拟导览体验的步骤具体为：
S301：通过自然语言处理技术，采用情感分析法，分析用户的兴趣和互动行为，并生成用户兴趣和互动数据；
S302：基于所述用户兴趣和互动数据，采用故事生成算法，并生成个性化故事叙述；
S303：结合计算机视觉技术和所述个性化故事叙述，采用图像合成技术，生成虚拟导览的视觉内容，并得到虚拟导览视觉内容；
S304：结合所述虚拟导览视觉内容与环境适应性的3D内容投影，采用交互设计原则，为用户提供沉浸式导览体验，并生成个性化的虚拟导览体验；
所述用户兴趣和互动数据具体为用户的喜好、兴趣点和互动历史，所述个性化故事叙述包括与用户兴趣关联的故事情节和角色，所述虚拟导览视觉内容具体为与故事叙述匹配的3D场景和动画，所述个性化的虚拟导览体验具体指根据用户的兴趣和互动，提供的3D导览内容。
作为本发明的进一步方案，基于所述个性化的虚拟导览体验，利用运动捕捉技术，实时捕获演员的动作，结合物理引擎，将演员动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型的步骤具体为：
S401：基于演员的动态数据，采用运动捕捉技术，进行动作数据的实时捕获，并进行数据预处理，生成实时演员动作数据；
S402：基于所述实时演员动作数据，采用骨骼绑定算法，进行虚拟角色的骨骼动画制作，并进行动作映射，生成虚拟角色骨骼动作；
S403：基于所述虚拟角色骨骼动作，利用物理引擎，进行角色与虚拟环境的互动模拟，并进行效果优化，生成虚拟角色与环境的互动数据；
S404：基于所述虚拟角色与环境的互动数据，采用动画混合技术，进行角色动作的流畅处理，并进行动画输出，生成互动效果的虚拟角色模型；
所述实时演员动作数据具体为演员在录制时间段内的关节位置和姿态信息，所述虚拟角色骨骼动作包括虚拟角色的关节动作和姿态变化，所述虚拟角色与环境的互动数据具体指角色在虚拟环境中的移动和交互表现，所述互动效果的虚拟角色模型具体为带有自然动作和互动能力的虚拟角色表现。
作为本发明的进一步方案，基于所述互动效果的虚拟角色模型，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，利用物理引擎来模拟包括冷风、水雾的气候效果，生成虚拟气候模型的步骤具体为：
S501：基于岩洞内部的结构，采用计算流体动力学，进行气流和温度的模拟计算，并进行数据整合，生成岩洞气流与温度数据；
S502：基于所述岩洞气流与温度数据，利用物理引擎，进行冷风效果的模拟与生成，并进行效果调节，生成虚拟冷风模型；
S503：基于所述岩洞气流与温度数据，采用粒子系统，进行水雾效果的生成与模拟，并进行效果优化，生成虚拟水雾模型；
S504：基于所述虚拟冷风模型和虚拟水雾模型，利用环境综合模拟技术，进行气候效果的整合与表现，生成虚拟气候模型；
所述岩洞气流与温度数据包括气流速度、方向和温度分布，所述虚拟冷风模型具体指模拟岩洞中冷风的流动和分布，所述虚拟水雾模型包括水雾的密度、分布和动态变化，所述虚拟气候模型具体为岩洞中的温度、湿度、气流的虚拟表现。
作为本发明的进一步方案，基于所述虚拟气候模型，结合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验、互动效果的虚拟角色模型，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验的步骤具体为：
S601：基于所述3D声音效果模型，采用声音融合技术，进行声效的生成与调节，并进行空间定位，生成岩洞内声音环境模型；
S602：基于所述个性化的虚拟导览体验和岩洞内声音环境模型，利用内容整合技术，进行导览内容的规划与设计，并进行声效匹配，生成声效整合后的导览内容；
S603：基于所述互动效果的虚拟角色模型和声效整合后的导览内容，采用场景渲染技术，进行视觉内容的生成与表现，并进行综合调试，生成虚拟剧场视觉内容；
S604：基于所述虚拟气候模型、虚拟剧场视觉内容，采用多模态融合技术，进行综合性演艺体验的生成与优化，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验；
所述岩洞内声音环境模型具体为声音效果在岩洞空间中的分布和播放，所述声效整合后的导览内容包括导览语音、背景音乐和环境声效，所述虚拟剧场视觉内容具体为场景的视觉效果和角色的视觉表现。
一种岩洞内演艺剧场的数字化应用系统，所述岩洞内演艺剧场的数字化应用系统用于执行上述岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，所述系统包括岩洞数字模型生成模块、声音处理模块、环境捕捉及3D内容生成模块、用户交互分析模块、虚拟角色模拟模块、气候效果模拟模块、结果整合模块。
作为本发明的进一步方案，所述岩洞数字模型生成模块基于岩洞内部的物理结构，采用有限元分析法，进行岩洞特性建模，进而生成岩洞数字模型；
所述声音处理模块基于岩洞数字模型，采用光线追踪算法和模态分析法，模拟声波传播，进而生成3D声音效果模型；
所述环境捕捉及3D内容生成模块基于岩洞数字模型，通过卷积神经网络和纹理映射技术，进行环境变化捕捉与3D内容投影，进而生成环境适应性的3D内容投影；
所述用户交互分析模块通过情感分析法与自然语言处理技术，进行用户行为分析，进而生成个性化的虚拟导览体验；
所述虚拟角色模拟模块基于演员数据，采用运动捕捉技术和骨骼绑定算法，进行角色动作模拟，进而生成互动效果的虚拟角色模型；
所述气候效果模拟模块基于岩洞数字模型，采用计算流体动力学和粒子系统，进行气候效果模拟，进而生成虚拟气候模型；
所述结果整合模块整合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验，采用多模态融合技术，进而生成综合性的岩洞内演艺剧场体验。
作为本发明的进一步方案，所述岩洞数字模型生成模块包括形状分析子模块、特性测量子模块、模型生成子模块；
所述声音处理模块包括声音模拟子模块、传播分析子模块、人耳接收效果模拟子模块；
所述环境捕捉及3D内容生成模块包括环境数据收集子模块、3D内容预渲染子模块、适应性映射子模块；
所述用户交互分析模块包括用户行为分析子模块、兴趣分析子模块、个性化故事生成子模块；
所述虚拟角色模拟模块包括动作捕捉子模块、骨骼动画制作子模块、角色与环境互动模拟子模块；
所述气候效果模拟模块包括温度模拟子模块、气流模拟子模块、水雾效果模拟子模块；
所述结果整合模块包括声音和视觉效果融合子模块、导览内容整合子模块、角色和气候效果整合子模块、综合性体验输出子模块。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明中，通过模拟声波在岩洞中的传播和人耳的接收效果，能为观众提供真实的3D声音体验。基于深度学习和图像映射技术，能够实时捕捉和适应岩洞内的环境变化，使3D内容投影更为真实、准确。借助自然语言处理和计算机视觉，能够为每位用户提供个性化和充满互动的导览体验。通过运动捕捉和物理引擎，演员的动作能够实时转化为虚拟角色，增强了表演的互动性。计算流体动力学的引入使得岩洞内的气候效果仿真得以实现，为观众带来了更为真实的体验感受。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图；
图2为本发明的S1细化流程图；
图3为本发明的S2细化流程图；
图4为本发明的S3细化流程图；
图5为本发明的S4细化流程图；
图6为本发明的S5细化流程图；
图7为本发明的S6细化流程图；
图8为本发明的系统流程图；
图9为本发明的系统框架示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，包括以下步骤：
S1：基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型；
S2：基于3D声音效果模型，采用深度学习算法，实时捕捉岩洞内的环境变化，利用图像映射技术，将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，生成环境适应性的3D内容投影；
S3：基于环境适应性的3D内容投影，利用自然语言处理技术，为用户生成基于其兴趣和互动的故事叙述，结合计算机视觉技术，生成个性化的虚拟导览体验；
S4：基于个性化的虚拟导览体验，利用运动捕捉技术，实时捕获演员的动作，结合物理引擎，将演员动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型；
S5：基于互动效果的虚拟角色模型，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，利用物理引擎来模拟包括冷风、水雾的气候效果，生成虚拟气候模型；
S6：基于虚拟气候模型，结合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验、互动效果的虚拟角色模型，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验。
基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法和HRTF技术生成3D声音效果模型，可以提供更加真实和沉浸式的音频体验。通过深度学习算法实时捕捉岩洞内的环境变化，并利用图像映射技术将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，可以实现环境适应性的3D内容投影，使观众能够感受到岩洞内的细微变化和细节。结合自然语言处理技术和计算机视觉技术，为用户生成个性化的故事叙述和虚拟导览体验，增加了观众的参与感和互动性。利用运动捕捉技术和物理引擎将演员的动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型，使观众能够与虚拟角色进行实时互动。最后，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，生成虚拟气候模型，进一步增强了观众的沉浸感和身临其境的体验。综合以上步骤，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验，可以为观众带来更加真实、个性化和互动性强的视听享受。
请参阅图2，基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型的步骤具体为：
S101：基于岩洞内部的物理结构，采用有限元分析法，对岩洞的形状、大小及其特性进行数字化建模，并生成岩洞数字模型；
S102：基于岩洞数字模型，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，并生成声波传播路径模型；
S103：基于声波传播路径模型，采用模态分析法，模拟声波的传播特性，并生成岩洞声学响应模型；
S104：基于岩洞声学响应模型，采用HRTF技术，模拟人耳在岩洞中接收到的声音的立体效果，并生成3D声音效果模型；
岩洞数字模型具体为岩洞的三维数字表示，包括岩洞的形状、大小和材质特性，声波传播路径模型包括声波的传播路径、反射点和吸收特性，岩洞声学响应模型具体指岩洞内的多点声压级分布，3D声音效果模型包括左右耳的声压级和相位差。
首先，需要对岩洞的物理结构进行数字化建模。可以使用有限元分析法来获取岩洞的形状、大小和特性。通过采集岩洞的相关数据，如尺寸、形状、材质等，将其输入到有限元分析软件中，生成岩洞的数字模型。
接下来，使用光线追踪算法模拟声波在岩洞中的传播和反射过程。根据声源的位置和声音的特性，将声波以射线的形式从声源发射出去，并考虑岩洞内的各种表面和障碍物对声波的反射和折射效应。通过追踪这些光线的传播路径，可以生成声波传播路径模型。
基于声波传播路径模型，采用模态分析法来模拟声波的传播特性。通过计算岩洞内的多点声压级分布，可以得到岩洞的声学响应模型。这包括了不同位置处的声压级以及声音的吸收特性等信息。
最后，利用HRTF技术模拟人耳在岩洞中接收到的声音的立体效果。根据人耳的位置和朝向，结合岩洞的声学响应模型，计算出左右耳的声压级和相位差。将这些信息整合到一起，就可以生成3D声音效果模型。
请参阅图3，基于3D声音效果模型，采用深度学习算法，实时捕捉岩洞内的环境变化，利用图像映射技术，将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，生成环境适应性的3D内容投影的步骤具体为：
S201：基于岩洞数字模型，采用卷积神经网络，实时捕捉岩洞内部的环境变化，并生成岩洞环境数据；
S202：基于岩洞环境数据和岩洞数字模型，采用光照渲染算法，并生成预渲染的3D内容；
S203：基于预渲染的3D内容，采用纹理映射技术，将3D内容适应性地投射到岩洞的不规则表面上，并生成3D内容适应性映射；
S204：结合岩洞声学响应模型，采用声学优化技术，对3D内容适应性映射进行声学效果优化，并生成环境适应性的3D内容投影；
岩洞环境数据包括岩洞内部的光照、湿度和温度变化，预渲染的3D内容具体指对应于岩洞环境的3D图像，3D内容适应性映射具体为考虑岩洞表面凹凸和特性的3D内容投影，环境适应性的3D内容投影包括与岩洞声学特性匹配的3D内容和声音效果。
首先，基于岩洞的数字模型，使用卷积神经网络实时捕捉岩洞内部的环境变化。通过将岩洞环境数据输入到卷积神经网络中，可以提取出岩洞内部的光照、湿度和温度等变化信息，生成岩洞环境数据。
接下来，根据岩洞环境数据和岩洞数字模型，采用光照渲染算法预渲染3D内容。根据岩洞的光照情况和预渲染的3D内容，生成对应的预渲染的3D图像。
然后，利用纹理映射技术将预渲染的3D内容适应性地投射到岩洞的不规则表面上。根据岩洞表面的形状和特性，调整3D内容的投射方式，使其能够适应岩洞的不规则表面，并生成3D内容适应性映射。
最后，结合岩洞声学响应模型，采用声学优化技术对3D内容适应性映射进行声学效果优化。根据岩洞的声学特性，调整3D内容的声学效果，使其与岩洞的声学特性相匹配，并生成环境适应性的3D内容投影。
请参阅图4，基于环境适应性的3D内容投影，利用自然语言处理技术，为用户生成基于其兴趣和互动的故事叙述，结合计算机视觉技术，生成个性化的虚拟导览体验的步骤具体为：
S301：通过自然语言处理技术，采用情感分析法，分析用户的兴趣和互动行为，并生成用户兴趣和互动数据；
S302：基于用户兴趣和互动数据，采用故事生成算法，并生成个性化故事叙述；
S303：结合计算机视觉技术和个性化故事叙述，采用图像合成技术，生成虚拟导览的视觉内容，并得到虚拟导览视觉内容；
S304：结合虚拟导览视觉内容与环境适应性的3D内容投影，采用交互设计原则，为用户提供沉浸式导览体验，并生成个性化的虚拟导览体验；
用户兴趣和互动数据具体为用户的喜好、兴趣点和互动历史，个性化故事叙述包括与用户兴趣关联的故事情节和角色，虚拟导览视觉内容具体为与故事叙述匹配的3D场景和动画，个性化的虚拟导览体验具体指根据用户的兴趣和互动，提供的3D导览内容。
首先，通过自然语言处理技术对用户的兴趣和互动行为进行分析。可以使用情感分析法来识别用户的情感倾向和喜好，并生成用户兴趣和互动数据。这些数据可以包括用户的喜好、兴趣点和互动历史等信息。
接下来，基于用户兴趣和互动数据，采用故事生成算法生成个性化的故事叙述。根据用户的兴趣和互动行为，结合岩洞的环境和特点，生成与用户兴趣相关联的故事情节和角色。这些故事可以是关于岩洞的历史、地质特征或神秘事件等。
然后，结合计算机视觉技术和个性化故事叙述，使用图像合成技术生成虚拟导览的视觉内容。根据故事叙述的内容，将相应的3D场景和动画与岩洞的环境适应性的3D内容投影相结合，生成虚拟导览的视觉内容。这些视觉内容可以是岩洞内部的不同景象、角色的动作和表情等。
最后，结合虚拟导览视觉内容与环境适应性的3D内容投影，采用交互设计原则为用户提供沉浸式导览体验，并生成个性化的虚拟导览体验。根据用户的兴趣和互动，调整虚拟导览的交互方式和内容展示方式，使用户能够更好地参与其中，并获得更加个性化的导览体验。
请参阅图5，基于个性化的虚拟导览体验，利用运动捕捉技术，实时捕获演员的动作，结合物理引擎，将演员动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型的步骤具体为：
S401：基于演员的动态数据，采用运动捕捉技术，进行动作数据的实时捕获，并进行数据预处理，生成实时演员动作数据；
S402：基于实时演员动作数据，采用骨骼绑定算法，进行虚拟角色的骨骼动画制作，并进行动作映射，生成虚拟角色骨骼动作；
S403：基于虚拟角色骨骼动作，利用物理引擎，进行角色与虚拟环境的互动模拟，并进行效果优化，生成虚拟角色与环境的互动数据；
S404：基于虚拟角色与环境的互动数据，采用动画混合技术，进行角色动作的流畅处理，并进行动画输出，生成互动效果的虚拟角色模型；
实时演员动作数据具体为演员在录制时间段内的关节位置和姿态信息，虚拟角色骨骼动作包括虚拟角色的关节动作和姿态变化，虚拟角色与环境的互动数据具体指角色在虚拟环境中的移动和交互表现，互动效果的虚拟角色模型具体为带有自然动作和互动能力的虚拟角色表现。
首先，使用运动捕捉技术实时捕获演员的动作数据。通过在演员身上设置传感器或使用摄像机对演员进行拍摄，可以获取演员的关节位置和姿态信息。这些数据可以作为实时演员动作数据。
接下来，根据实时演员动作数据，采用骨骼绑定算法进行虚拟角色的骨骼动画制作。将演员的关节位置和姿态信息映射到虚拟角色的骨骼结构上，生成虚拟角色骨骼动作。这可以通过计算每个骨骼关节的位置和旋转来实现。
然后，利用物理引擎进行角色与虚拟环境的互动模拟。根据虚拟角色骨骼动作和虚拟环境的特性，使用物理引擎来模拟角色与环境的碰撞、重力等效果。通过调整物理参数和优化算法，使角色的动作更加流畅和自然。
最后，采用动画混合技术进行角色动作的流畅处理，并进行动画输出。根据虚拟角色与环境的互动数据，结合骨骼动画和物理模拟的结果，生成带有自然动作和互动能力的虚拟角色表现。这可以通过插值、过渡等技术来实现。
请参阅图6，基于互动效果的虚拟角色模型，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，利用物理引擎来模拟包括冷风、水雾的气候效果，生成虚拟气候模型的步骤具体为：
S501：基于岩洞内部的结构，采用计算流体动力学，进行气流和温度的模拟计算，并进行数据整合，生成岩洞气流与温度数据；
S502：基于岩洞气流与温度数据，利用物理引擎，进行冷风效果的模拟与生成，并进行效果调节，生成虚拟冷风模型；
S503：基于岩洞气流与温度数据，采用粒子系统，进行水雾效果的生成与模拟，并进行效果优化，生成虚拟水雾模型；
S504：基于虚拟冷风模型和虚拟水雾模型，利用环境综合模拟技术，进行气候效果的整合与表现，生成虚拟气候模型；
岩洞气流与温度数据包括气流速度、方向和温度分布，虚拟冷风模型具体指模拟岩洞中冷风的流动和分布，虚拟水雾模型包括水雾的密度、分布和动态变化，虚拟气候模型具体为岩洞中的温度、湿度、气流的虚拟表现。
首先，基于岩洞内部的结构，采用计算流体动力学进行气流和温度的模拟计算。通过建立岩洞的几何模型和边界条件，使用CFD软件对气流的速度、方向和温度分布进行模拟计算，并生成岩洞气流与温度数据。
接下来，利用物理引擎进行冷风效果的模拟与生成。根据岩洞气流与温度数据，设置冷风的强度、方向和速度等参数，使用物理引擎来模拟冷风在岩洞中的流动和分布，并进行效果调节，生成虚拟冷风模型。
然后，采用粒子系统进行水雾效果的生成与模拟。根据岩洞气流与温度数据，设置水雾的密度、分布和动态变化等参数，使用粒子系统来模拟水雾在岩洞中的表现，并进行效果优化，生成虚拟水雾模型。
最后，利用环境综合模拟技术进行气候效果的整合与表现。将虚拟冷风模型和虚拟水雾模型进行整合，结合岩洞的结构和其他气候因素，使用环境综合模拟技术来模拟整个岩洞内的气候效果，包括温度、湿度和气流的虚拟表现，生成虚拟气候模型。
实际操作流程细化补充如下：
建立岩洞的几何模型和边界条件，并设置计算流体动力学的参数。
运行计算流体动力学软件，进行气流和温度的模拟计算，并生成岩洞气流与温度数据。
根据岩洞气流与温度数据，设置冷风的强度、方向和速度等参数，使用物理引擎进行冷风效果的模拟与生成。
根据岩洞气流与温度数据，设置水雾的密度、分布和动态变化等参数，使用粒子系统进行水雾效果的生成与模拟。
对生成的虚拟冷风模型和虚拟水雾模型进行调整和优化，确保其与实际需求的匹配度。
将虚拟冷风模型和虚拟水雾模型进行整合，并结合岩洞的结构和其他气候因素，使用环境综合模拟技术进行气候效果的整合与表现。
对生成的虚拟气候模型进行验证和调整，确保其与实际环境的匹配度。
最终得到的虚拟气候模型可以用于虚拟现实、游戏等领域中的展示和体验。
请参阅图7，基于虚拟气候模型，结合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验、互动效果的虚拟角色模型，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验的步骤具体为：
S601：基于3D声音效果模型，采用声音融合技术，进行声效的生成与调节，并进行空间定位，生成岩洞内声音环境模型；
S602：基于个性化的虚拟导览体验和岩洞内声音环境模型，利用内容整合技术，进行导览内容的规划与设计，并进行声效匹配，生成声效整合后的导览内容；
S603：基于互动效果的虚拟角色模型和声效整合后的导览内容，采用场景渲染技术，进行视觉内容的生成与表现，并进行综合调试，生成虚拟剧场视觉内容；
S604：基于虚拟气候模型、虚拟剧场视觉内容，采用多模态融合技术，进行综合性演艺体验的生成与优化，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验；
岩洞内声音环境模型具体为声音效果在岩洞空间中的分布和播放，声效整合后的导览内容包括导览语音、背景音乐和环境声效，虚拟剧场视觉内容具体为场景的视觉效果和角色的视觉表现。
首先，基于3D声音效果模型，采用声音融合技术进行声效的生成与调节。根据岩洞的特点和演艺需求，设置合适的音效参数，使用声音融合技术将不同的声音元素融合在一起，生成岩洞内的声音环境模型。同时，进行空间定位，确保音效能够准确地在岩洞中传播和表现。
接下来，利用内容整合技术进行导览内容的规划与设计。根据个性化的虚拟导览体验和岩洞内声音环境模型，确定导览的内容、语音、背景音乐和环境声效等要素。同时，进行声效匹配，确保导览内容与声音环境相互协调和补充。
然后，采用场景渲染技术进行视觉内容的生成与表现。根据互动效果的虚拟角色模型和声效整合后的导览内容，设置场景的视觉效果和角色的视觉表现。通过渲染技术，将虚拟角色和场景呈现在岩洞内的屏幕上，并进行调整和优化，生成虚拟剧场视觉内容。
最后，采用多模态融合技术进行综合性演艺体验的生成与优化。将虚拟气候模型、虚拟剧场视觉内容和其他相关因素进行整合，通过多模态融合技术实现听觉、视觉和触觉等多个感官的综合体验。对生成的综合性演艺体验进行验证和调整，确保其与实际需求的匹配度。
实际操作流程细化补充如下：
根据岩洞的特点和演艺需求，建立3D声音效果模型，并进行声效的生成与调节。
进行空间定位，确保音效能够准确地在岩洞中传播和表现。
利用内容整合技术进行导览内容的规划与设计，包括导览语音、背景音乐和环境声效等要素。
进行声效匹配，确保导览内容与声音环境相互协调和补充。
采用场景渲染技术进行视觉内容的生成与表现，包括场景的视觉效果和角色的视觉表现。
对生成的虚拟剧场视觉内容进行调整和优化，确保其与实际需求的匹配度。
将虚拟气候模型、虚拟剧场视觉内容和其他相关因素进行整合，通过多模态融合技术实现综合性演艺体验的生成与优化。
对生成的综合性演艺体验进行验证和调整，确保其与实际需求的匹配度。
最终得到的综合性岩洞内演艺剧场体验可以用于虚拟现实、游戏等领域中的展示和娱乐。
请参阅图8，一种岩洞内演艺剧场的数字化应用系统，岩洞内演艺剧场的数字化应用系统用于执行上述岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，系统包括岩洞数字模型生成模块、声音处理模块、环境捕捉及3D内容生成模块、用户交互分析模块、虚拟角色模拟模块、气候效果模拟模块、结果整合模块。
岩洞数字模型生成模块基于岩洞内部的物理结构，采用有限元分析法，进行岩洞特性建模，进而生成岩洞数字模型；
声音处理模块基于岩洞数字模型，采用光线追踪算法和模态分析法，模拟声波传播，进而生成3D声音效果模型；
环境捕捉及3D内容生成模块基于岩洞数字模型，通过卷积神经网络和纹理映射技术，进行环境变化捕捉与3D内容投影，进而生成环境适应性的3D内容投影；
用户交互分析模块通过情感分析法与自然语言处理技术，进行用户行为分析，进而生成个性化的虚拟导览体验；
虚拟角色模拟模块基于演员数据，采用运动捕捉技术和骨骼绑定算法，进行角色动作模拟，进而生成互动效果的虚拟角色模型；
气候效果模拟模块基于岩洞数字模型，采用计算流体动力学和粒子系统，进行气候效果模拟，进而生成虚拟气候模型；
结果整合模块整合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验，采用多模态融合技术，进而生成综合性的岩洞内演艺剧场体验。
首先，通过生成综合性的岩洞内演艺剧场体验，观众可以身临其境地感受演艺表演，增强观赏的乐趣和沉浸感。其次，采用数字化技术进行演艺表演，避免了传统演艺剧场对环境的破坏和资源的浪费，有利于可持续发展。此外，数字化应用系统可以通过虚拟角色模拟和气候效果模拟等技术，实现演员在虚拟环境中进行演艺表演，减少了实际演出中可能存在的安全风险。同时，数字化应用系统还可以减少实际演出所需的人力、物力和场地等方面的成本，提高经济效益。另外，通过用户交互分析模块，系统可以根据观众的兴趣和行为进行分析，生成个性化的虚拟导览体验，满足不同观众的需求。此外，数字化应用系统可以将传统的演艺表演与虚拟现实、增强现实等技术相结合，创造出全新的演艺形式，丰富观众的娱乐选择。最后，通过数字化应用系统，可以将岩洞内的演艺表演传播到全球范围内，促进不同文化之间的交流与理解。
请参阅图9，岩洞数字模型生成模块包括形状分析子模块、特性测量子模块、模型生成子模块；
声音处理模块包括声音模拟子模块、传播分析子模块、人耳接收效果模拟子模块；
环境捕捉及3D内容生成模块包括环境数据收集子模块、3D内容预渲染子模块、适应性映射子模块；
用户交互分析模块包括用户行为分析子模块、兴趣分析子模块、个性化故事生成子模块；
虚拟角色模拟模块包括动作捕捉子模块、骨骼动画制作子模块、角色与环境互动模拟子模块；
气候效果模拟模块包括温度模拟子模块、气流模拟子模块、水雾效果模拟子模块；
结果整合模块包括声音和视觉效果融合子模块、导览内容整合子模块、角色和气候效果整合子模块、综合性体验输出子模块。
岩洞数字模型生成模块中，形状分析子模块进行岩洞内部结构的几何形状分析，特性测量子模块进行岩洞的物理特性测量，模型生成子模块根据形状分析和特性测量结果生成岩洞数字模型。
声音处理模块中，声音模拟子模块基于岩洞数字模型进行声波传播的模拟，传播分析子模块对声波的传播进行分析，人耳接收效果模拟子模块模拟人耳对声波的接收效果，进而生成3D声音效果模型。
环境捕捉及3D内容生成模块中，环境数据收集子模块采集岩洞内的环境数据，3D内容预渲染子模块根据环境数据进行3D内容的预渲染，适应性映射子模块将预渲染的3D内容映射到岩洞的数字模型上，进而生成环境适应性的3D内容投影。
用户交互分析模块中，用户行为分析子模块通过情感分析法和自然语言处理技术对用户的行为进行分析，兴趣分析子模块分析用户的兴趣偏好，个性化故事生成子模块根据用户行为和兴趣生成个性化的虚拟导览体验。
虚拟角色模拟模块中，动作捕捉子模块使用运动捕捉技术捕捉演员的动作数据，骨骼动画制作子模块根据动作数据进行骨骼绑定算法的计算，角色与环境互动模拟子模块利用物理引擎实现角色与环境的互动效果，进而生成互动效果的虚拟角色模型。
气候效果模拟模块中，温度模拟子模块采用计算流体动力学模拟岩洞内的气流温度分布，气流模拟子模块模拟岩洞内的气流流动情况，水雾效果模拟子模块采用粒子系统模拟岩洞内的水雾效果，进而生成虚拟气候模型。
结果整合模块中，声音和视觉效果融合子模块将3D声音效果模型与视觉内容进行融合，导览内容整合子模块将个性化的虚拟导览体验与声效整合后的导览内容进行整合，角色和气候效果整合子模块将互动效果的虚拟角色模型与虚拟气候模型进行整合，综合性体验输出子模块将整合后的结果输出为综合性的岩洞内演艺剧场体验。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型；
基于所述3D声音效果模型，采用深度学习算法，实时捕捉岩洞内的环境变化，利用图像映射技术，将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，生成环境适应性的3D内容投影；
基于所述环境适应性的3D内容投影，利用自然语言处理技术，为用户生成基于其兴趣和互动的故事叙述，结合计算机视觉技术，生成个性化的虚拟导览体验；
基于所述个性化的虚拟导览体验，利用运动捕捉技术，实时捕获演员的动作，结合物理引擎，将演员动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型；
基于所述互动效果的虚拟角色模型，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，利用物理引擎来模拟包括冷风、水雾的气候效果，生成虚拟气候模型；
基于所述虚拟气候模型，结合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验、互动效果的虚拟角色模型，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验。
2.根据权利要求1所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，基于岩洞内部的物理结构和声学特性，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，结合HRTF技术，模拟人耳接收到的声音效果，生成3D声音效果模型的步骤具体为：
基于岩洞内部的物理结构，采用有限元分析法，对岩洞的形状、大小及其特性进行数字化建模，并生成岩洞数字模型；
基于所述岩洞数字模型，采用光线追踪算法，模拟声波在岩洞中的传播和反射，并生成声波传播路径模型；
基于所述声波传播路径模型，采用模态分析法，模拟声波的传播特性，并生成岩洞声学响应模型；
基于所述岩洞声学响应模型，采用HRTF技术，模拟人耳在岩洞中接收到的声音的立体效果，并生成3D声音效果模型；
所述岩洞数字模型具体为岩洞的三维数字表示，包括岩洞的形状、大小和材质特性，所述声波传播路径模型包括声波的传播路径、反射点和吸收特性，所述岩洞声学响应模型具体指岩洞内的多点声压级分布，所述3D声音效果模型包括左右耳的声压级和相位差。
3.根据权利要求1所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，基于所述3D声音效果模型，采用深度学习算法，实时捕捉岩洞内的环境变化，利用图像映射技术，将预渲染的3D内容投射到岩洞的不规则表面上，生成环境适应性的3D内容投影的步骤具体为：
基于岩洞数字模型，采用卷积神经网络，实时捕捉岩洞内部的环境变化，并生成岩洞环境数据；
基于所述岩洞环境数据和岩洞数字模型，采用光照渲染算法，并生成预渲染的3D内容；
基于所述预渲染的3D内容，采用纹理映射技术，将3D内容适应性地投射到岩洞的不规则表面上，并生成3D内容适应性映射；
结合岩洞声学响应模型，采用声学优化技术，对所述3D内容适应性映射进行声学效果优化，并生成环境适应性的3D内容投影；
所述岩洞环境数据包括岩洞内部的光照、湿度和温度变化，所述预渲染的3D内容具体指对应于岩洞环境的3D图像，所述3D内容适应性映射具体为考虑岩洞表面凹凸和特性的3D内容投影，所述环境适应性的3D内容投影包括与岩洞声学特性匹配的3D内容和声音效果。
4.根据权利要求1所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，基于所述环境适应性的3D内容投影，利用自然语言处理技术，为用户生成基于其兴趣和互动的故事叙述，结合计算机视觉技术，生成个性化的虚拟导览体验的步骤具体为：
通过自然语言处理技术，采用情感分析法，分析用户的兴趣和互动行为，并生成用户兴趣和互动数据；
基于所述用户兴趣和互动数据，采用故事生成算法，并生成个性化故事叙述；
结合计算机视觉技术和所述个性化故事叙述，采用图像合成技术，生成虚拟导览的视觉内容，并得到虚拟导览视觉内容；
结合所述虚拟导览视觉内容与环境适应性的3D内容投影，采用交互设计原则，为用户提供沉浸式导览体验，并生成个性化的虚拟导览体验；
所述用户兴趣和互动数据具体为用户的喜好、兴趣点和互动历史，所述个性化故事叙述包括与用户兴趣关联的故事情节和角色，所述虚拟导览视觉内容具体为与故事叙述匹配的3D场景和动画，所述个性化的虚拟导览体验具体指根据用户的兴趣和互动，提供的3D导览内容。
5.根据权利要求1所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，基于所述个性化的虚拟导览体验，利用运动捕捉技术，实时捕获演员的动作，结合物理引擎，将演员动作转化为虚拟现实中的互动效果，生成互动效果的虚拟角色模型的步骤具体为：
基于演员的动态数据，采用运动捕捉技术，进行动作数据的实时捕获，并进行数据预处理，生成实时演员动作数据；
基于所述实时演员动作数据，采用骨骼绑定算法，进行虚拟角色的骨骼动画制作，并进行动作映射，生成虚拟角色骨骼动作；
基于所述虚拟角色骨骼动作，利用物理引擎，进行角色与虚拟环境的互动模拟，并进行效果优化，生成虚拟角色与环境的互动数据；
基于所述虚拟角色与环境的互动数据，采用动画混合技术，进行角色动作的流畅处理，并进行动画输出，生成互动效果的虚拟角色模型；
所述实时演员动作数据具体为演员在录制时间段内的关节位置和姿态信息，所述虚拟角色骨骼动作包括虚拟角色的关节动作和姿态变化，所述虚拟角色与环境的互动数据具体指角色在虚拟环境中的移动和交互表现，所述互动效果的虚拟角色模型具体为带有自然动作和互动能力的虚拟角色表现。
6.根据权利要求1所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，基于所述互动效果的虚拟角色模型，采用计算流体动力学模拟岩洞内的气候效果，利用物理引擎来模拟包括冷风、水雾的气候效果，生成虚拟气候模型的步骤具体为：
基于岩洞内部的结构，采用计算流体动力学，进行气流和温度的模拟计算，并进行数据整合，生成岩洞气流与温度数据；
基于所述岩洞气流与温度数据，利用物理引擎，进行冷风效果的模拟与生成，并进行效果调节，生成虚拟冷风模型；
基于所述岩洞气流与温度数据，采用粒子系统，进行水雾效果的生成与模拟，并进行效果优化，生成虚拟水雾模型；
基于所述虚拟冷风模型和虚拟水雾模型，利用环境综合模拟技术，进行气候效果的整合与表现，生成虚拟气候模型；
所述岩洞气流与温度数据包括气流速度、方向和温度分布，所述虚拟冷风模型具体指模拟岩洞中冷风的流动和分布，所述虚拟水雾模型包括水雾的密度、分布和动态变化，所述虚拟气候模型具体为岩洞中的温度、湿度、气流的虚拟表现。
7.根据权利要求1所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，其特征在于，基于所述虚拟气候模型，结合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验、互动效果的虚拟角色模型，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验的步骤具体为：
基于所述3D声音效果模型，采用声音融合技术，进行声效的生成与调节，并进行空间定位，生成岩洞内声音环境模型；
基于所述个性化的虚拟导览体验和岩洞内声音环境模型，利用内容整合技术，进行导览内容的规划与设计，并进行声效匹配，生成声效整合后的导览内容；
基于所述互动效果的虚拟角色模型和声效整合后的导览内容，采用场景渲染技术，进行视觉内容的生成与表现，并进行综合调试，生成虚拟剧场视觉内容；
基于所述虚拟气候模型、虚拟剧场视觉内容，采用多模态融合技术，进行综合性演艺体验的生成与优化，生成综合性的岩洞内演艺剧场体验；
所述岩洞内声音环境模型具体为声音效果在岩洞空间中的分布和播放，所述声效整合后的导览内容包括导览语音、背景音乐和环境声效，所述虚拟剧场视觉内容具体为场景的视觉效果和角色的视觉表现。
8.一种岩洞内演艺剧场的数字化应用系统，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用方法，所述系统包括岩洞数字模型生成模块、声音处理模块、环境捕捉及3D内容生成模块、用户交互分析模块、虚拟角色模拟模块、气候效果模拟模块、结果整合模块。
9.根据权利要求8所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用系统，其特征在于，所述岩洞数字模型生成模块基于岩洞内部的物理结构，采用有限元分析法，进行岩洞特性建模，进而生成岩洞数字模型；
所述声音处理模块基于岩洞数字模型，采用光线追踪算法和模态分析法，模拟声波传播，进而生成3D声音效果模型；
所述环境捕捉及3D内容生成模块基于岩洞数字模型，通过卷积神经网络和纹理映射技术，进行环境变化捕捉与3D内容投影，进而生成环境适应性的3D内容投影；
所述用户交互分析模块通过情感分析法与自然语言处理技术，进行用户行为分析，进而生成个性化的虚拟导览体验；
所述虚拟角色模拟模块基于演员数据，采用运动捕捉技术和骨骼绑定算法，进行角色动作模拟，进而生成互动效果的虚拟角色模型；
所述气候效果模拟模块基于岩洞数字模型，采用计算流体动力学和粒子系统，进行气候效果模拟，进而生成虚拟气候模型；
所述结果整合模块整合3D声音效果模型、环境适应性的3D内容投影、个性化的虚拟导览体验，采用多模态融合技术，进而生成综合性的岩洞内演艺剧场体验。
10.根据权利要求8所述的岩洞内演艺剧场的数字化应用系统，其特征在于，所述岩洞数字模型生成模块包括形状分析子模块、特性测量子模块、模型生成子模块；
所述声音处理模块包括声音模拟子模块、传播分析子模块、人耳接收效果模拟子模块；
所述环境捕捉及3D内容生成模块包括环境数据收集子模块、3D内容预渲染子模块、适应性映射子模块；
所述用户交互分析模块包括用户行为分析子模块、兴趣分析子模块、个性化故事生成子模块；
所述虚拟角色模拟模块包括动作捕捉子模块、骨骼动画制作子模块、角色与环境互动模拟子模块；
所述气候效果模拟模块包括温度模拟子模块、气流模拟子模块、水雾效果模拟子模块；
所述结果整合模块包括声音和视觉效果融合子模块、导览内容整合子模块、角色和气候效果整合子模块、综合性体验输出子模块。
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|---|---|
| CN117292094B (zh) | 2024-02-02 |
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