CN1180628C - 基于易碎数字水印技术的误码检测方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于存在随机误码的视频图象通信技术领域,涉及基于易碎数字水印技术的误码检测方法及其应用,其方法为:在编码端加入易碎数字水印的方法,是改变变换系数的高频分量的值来满足预先设定的约束关系;在解码端检测水印的完整性的方法,是检测变换系数的高频分量的值,是否符合所说的预先设定的约束关系。本方法可以应用于检测出现在头信息、运动信息、变换系数等所有编码单元的误码。本发明使得解码端能够及时的发现误码的产生位置,并且大大提高误码检出率和错误正确定位率,且对视频图像造成的质量损失较小;为进一步减少误码对视频图象质量的影响提供后处理的依据。
Description
技术领域
本发明属于存在随机误码的视频图象通信技术领域,涉及易碎数字水印技术和基于该技术的误码检测方法。
背景技术
目前通用的视频压缩国际标准主要是由国际标准化组织ITU-T Study Group 16Video Coding Experts Group,即VCEG与国际标准化组织ISO/IEC/JTC1/SC29/WG11Moving Picture Expert Group,即MPEG制订,常见的标准有MPEG-1,即ISO-11172;MPEG-2,即ISO-13818;MPEG-4,即ISO-14496;H.261,H.263,H.26L,H.264等等。这些视频压缩标准的基本压缩方法都是大致相同的,都属于混合编码技术。H.26L的基本编码方法的框架如图1所示,其方法为:视频图象由输入模块经过开关S0控制或者进入有帧内预测的帧内编码模式,或者进入有运动补偿的帧间编码模式。在帧内编码模式中,视频信号的每一帧将经过帧内预测模块,变换编码/量化模块和熵编码模块的信号处理,然后输出编码码流。在帧间编码模式中,视频信号的当前帧要与重建帧相减,该差值信号一方面经过变换编码/量化模块和熵编码模块的信号处理,输出编码码流;另一方面由反量化/反变换编码、运动估计和补偿模块提供重建帧。
由于国际标准采用了如图1所示的混合编码方法,其熵编码技术必然带来码流对随机误码很敏感,如果码流中有一个随机误码产生,会引起当前帧一连串的解码错误。更有甚者,当前帧的误码由于运动估计和运动补偿一连引起后续帧的连串错误,导致解码视频图象质量急剧下降。
视频码流每个单元的结构基本上都是类似的,首先是头信息,然后是运动信息等其它的信息,最后是变换系数的编码。
通常采用的误码检测方法是基于语法语义的误码检测方法,这种方法的缺点在于,通常的错误检出率只有20%~40%,而错误正确定位率只有0%~20%。所谓错误检出率,是指被检测出有误码的条带,即slice的数目与实际被误码影响的条带数目的比值。所谓条带,它是由连续的宏块组成。所谓的宏块,是由若干个相邻的图象块组成,比如由上述的8×8图象块组成。所谓错误正确定位率,是指在误码发生的宏块立即检测到错误这样的条带数目与实际受误码影响的条带数目的比值。
本发明人在此之前发明了并于2001年4月在汉城举行的Picture CodingSymposium′2001上首次发表了用基于易碎数字水印的误码检测方法,用以检测视频混合编码方法中8×8余弦变换交流系数中的随机误码,其方法由图2所示。图2中的信源编码模块是指由图1所示的混合编码;其步骤包括:
1)在编码端,视频图象输入至信源编码模块进行压缩编码,在进行压缩编码的过程中加入易碎数字水印;
2)其输出码流经过信道编码模块进行纠错保护;再经过信道的传输过程后,接收到的码流再送到解码端进行信道解码和信源解码;
3)在解码端,对于未被信道解码纠正的误码,首先用传统的语法语义误码检测方法进行检测;
4)然后用易碎水印误码检测方法进行检测:易碎水印检测将给出随机误码发生的位置,从而为其后的图象后处理提供了精确的依据;
5)当语法语义检测和水印检测都没有发现错误的时候,直接输出图像;
6)当语法语义检测或者水印检测发现存在错误的时候,进行后处理,然后再输出图像;后处理可以是误码隐藏,帧冻结和帧丢弃等。
图2中所有由N所引的支路为可选路径。两个虚线框分别代表信源的编码端和信源的解码端,在下文中简称为编码端和解码端。
上述的基于易碎数字水印误码检测方法的目的是用来检测8×8余弦变换中交流系数的误码。所谓8×8余弦变换,是指对一个8×8的图象块或者图象块的残差f(x,y)进行下述的数学变换:
公式(1)
变换后得到的F(u,v)在也是个8×8的矩阵,其中矩阵最左上角的系数F(0,0)被称为直流系数,其它的系数被称为交流系数。8×8的变换系数矩阵可以由图4表示,序号为0的系数是直流系数,即公式(1)中的f(0,0);序号从1到63的系数为交流系数,随着序号的增大,系数所代表的频率随之增加。
上述编码解码过程中,易碎数字水印的加入和检测方法有两种:FZW,即Force ZeroWatermark和FEW,即Force Even Watermark。FEW是将8×8变换系数从某一序号起而后所有的系数值强制为0。FEW是将是将8×8变换系数从某一序号起而后所有的系数值强制为偶数,如果原系数值为偶数,则不用处理;如果原系数值是奇数,把它变为绝对值较小的相邻偶数。变化系数矩阵与扫描次序如图4所示,扫描序号为从图中左上角的0开始,以之字型顺序扫描,直到右下角的63。
该水印检测技术的局限性在于,
1.它只适应于基于8×8变换的视频标准,而不适用于新的H.26L、H.264等使用基于4×4变换的视频标准;
2.它主要检测出现在DCT系数上的误码,没有涉及对于DCT系数前面的以变长编码形式出现的头信息,运动信息等部分的误码检测并不;因此其实际应用受到局限。
3.它对视频图像造成的质量损失较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决前述随机误码带来的问题,提出一种基于易碎数字水印技术的误码检测方法,使得解码端能够及时的发现误码的产生位置,并且大大提高误码检出率和错误正确定位率,且对视频图像造成的质量损失较小;为进一步减少误码对视频图象质量的影响提供后处理的依据,可用于对视频码流每个单元全部结构包括头信息、运动信息等其它的信息及变换系数的编码的误码检测。可以适用于各种使用混合编码的视频通信系统。
本发明提出的一种基于易碎数字水印技术的误码检测方法,包括编码端处理方法和解码端检测方法,包括以下步骤:
(1)在编码端,对视频图象按混合编码方法进行变换编码/量化后,对变换系数加入易碎数字水印;
(2)对加入数字水印的码流进行信道编码,将信道编码后的码流经过信道送入解码端;
(3)在解码端,在对码流进行熵解码和反量化反变换编码后,检测水印的完整性。如果水印被损坏,则认为当前图象块有误码存在;
其特征在于,所说的步骤(1)中加入易碎数字水印的方法,是对变换系数的值进行改变,使改变后的变换系数的值满足预先设定的约束关系;所说的步骤(3)中检测水印的完整性的方法,是检测变换系数的值,是否符合所说的预先设定的约束关系。
在上述的编码端中所说的变换编码,是指数字图像压缩当中使用的数学变换,例如离散余弦变换、哈德马变换等。
(1)H.26L标准或H.264标准,采用了4×4的离散余弦变换和4×4的哈德马(Hadamard)变换;
(2)MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4,H.261,H.263等标准,采用了8×8的离散余弦变换;
(3)非国际标准的视频编码方法,可能采用自定义大小离散余弦变换或者自定义大小的哈德马变换或者其它变换。
所说的预先设定的约束关系可为以下几种
a.强制设定变换系数排列的最后n个系数(高频分量)的值为0,n为自然数,该水印被称为FLZW,即Force Last Zero Watermark。
b.强制设定变换系数排列的最后n个系数(高频分量)的值为偶数,如果最后n个系数为奇数,则将它变为绝对值较小的相邻偶数,该水印被称为FLEW,即Force LastEven Watermark。
c.强制设定变换系数排列的最后n个系数(高频分量)为0或者偶数,根据当前块的性质而定。如果当前块是帧内编码块,即编码时不依赖其它帧信息的块,则强制最后n个系数为偶数;如果当前块是帧间编码块,即编码时依赖其它帧信息的块,则强制最后n个系数为0。强制方法和前述FLZW和FLEW相同。该水印被称为FLW,即ForceLast Watermark。
d.强制设定变换系数排列的最后n个系数(高频分量)为奇数或0;如果最后n个系数为非0偶数,则将它变为绝对值较小的相邻奇数。
e.强制设定变换系数排列的最后n个系数(高频分量)为奇数;如果最后n个系数为偶数,则将它变为绝对值较小的相邻奇数,0变成1。
f.强制设定变换系数排列的最后一个系数(高频分量),使得所有系数的和为偶数,即变换块内的偶校验,如果原来系数和不是偶数,则将最后一个系数变为绝对值较小的相邻的整数,0则变为1。
g.强制设定变换系数排列的最后一个系数(高频分量),使得所有系数的和为奇数,即变换块内的奇校验,如果原来系数和不是奇数,则将最后一个系数变为绝对值较小的相邻的整数,0则变为1。
h.上述几种数字水印的某种方式的组合,类似于c是a和b的一种组合。
i.利用变换系数排列的最后一个系数(高频分量)对前一块做奇/偶校验。
j.利用变换系数排列的几种约束关系(高频分量)对本宏块的运动矢量做奇/偶校验。
k.利用变换系数排列的最后一个系数(高频分量)对前一个宏块的所有比特做奇/偶校验。
l.利用变换系数排列的最后一个系数(高频分量)对当前宏块到当前块之前的所有比特做奇/偶校验。
n.利用变换系数排列的最后n个系数(高频分量)进行上述j到m四种校验的某种组合,即利用不同的系数对不同的内容做校验,例如最后一个系数对前一块做奇/偶校验,倒数第二个系数对本宏块的运动矢量做奇/偶校验。
上述各种约束关系,当应用于4×4变换的视频标准时,n<5;当应用于8×8变换的视频标准时,n<20。
本发明所说的易碎数字水印,是指在母信息,即视频图象中加入的一种特殊的子信息,在本发明中为对变换系数的某种强制约定关系。当母信息受到破坏或者修改时,子信息几乎肯定受到破坏;
本发明所设计的易碎数字水印主要是利用、修改变换后的高频变换系数,以尽可能小的图象质量损失换来尽可能大的误码检测能力;
对于H.26L和H.264标准,倾向于使用前面所说的强制约定关系中只改变变换系数排列最后一个系数的方法,尽可能减小视频图象的失真;对于其它视频编码标准,前面所说的强制约定关系中只改变变换系数排列最后多个系数的方法,以提高水印的误码检出率和错误正确定位率;对于高码率的情况,倾向于使用前面所说的强制约定关系中,强制为偶数或奇数,而不是强制为0的水印。
所述的在解码端检验水印完整性的方法,是检测变换系数的高频分量的值,是否符合所说的预先设定的约束关系。例如,
(1)对于约定关系为强制为0,偶数,奇数的水印,直接检查相应系数的值是否为0,偶数或奇数;
(2)对于约定关系为奇偶校验性的水印,检查校验值是否正确;
(3)对于约定关系为其它类型的水印,根据水印的设计来检查水印是否完整。
采用上述这些方法可应用于检测出现在头信息、运动信息、变换系数等所有编码单元的误码,只要它们是按变长编码的形式进行编码的。
本发明的特点:
1.它不仅适用于基于8×8变换的视频标准,也适用于新的H.26L、H.264等使用基于4×4变换的视频标准;
2.它对出现在DCT系数上的误码和头信息,运动信息上的误码的检测都很有效,大大提高误码检出率和错误正确定位率;
3.它对视频图像造成的质量损失较小;
4.可以适用于各种使用混合编码的视频通信系统。
附图说明
图1为H.26L编码方法框架图。
图2为已有的一种基于易碎水印的误码检测方法框图。
图3为H.26L变换系数矩阵与两种不同的zigzag扫描方法示意图。
图4为传统的8×8变换系数矩阵与zigzag扫描方法示意图。
图5为采用本发明方法与传统方法错误正确定位率的对比示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种基于易碎数字水印技术的误码检测方法结合附图及实施例详细说明如下:
本发明的易碎数字水印技术的误码检测方法的结构如图2所示,其中与以前的误码检测方法的不同在于水印的设计和使用(加入和检测)。
1)水印的设计
H.26L和H.264中的变换系数矩阵的排列如图4,其中左上角的系数是直流系数,也叫做DC系数,序号为0;其它的系数是交流系数,也叫做AC系数。图中的数字或字母表示系数的排列顺序,序号越小表示该系数所代表的频率越低,大序号的系数代表高频分量。
本发明采用图2的方法框图,图2中的信源编码模块由图1所示的混合编码方法来代替。而图1所示的变换编码/量化模块的输出将呈现出由图4所示的变换系数矩阵。对变换系数矩阵进行扫描方式有单扫描和双扫描两种。单扫描如图3的(a)所示,交流系数的序号从1到15;双扫描如图3的(b)所示,交流系数的序号分别从A到H和从1到7。本发明的易碎数字水印设计是改变变换系数的高频分量的方法,但是它并不影响人眼的主观视觉效果。
本发明中的易碎数字水印设计,以下简称水印,是采用改变变换系数的高频分量的方法实现的,水印设计的实施例主要有以下几种:
以下所谓系数即变换系数,适用于如图4的扫描方式。
a.强制扫描的最后一个系数的值为0,如果是双扫描,7号系数和H号系数都被强制为0。该水印被称为FLZW,即Force Last Zero Watermark,强制最后系数为0的数字水印。
b.强制扫描的最后一个系数为偶数,如果是双扫描,7号系数和H号系数都被强制为偶数;如果最后一个系数为奇数,则将它变为与其最相近的偶数,向0靠拢。该水印被称为FLEW,即Force Last Even Watermark,强制最后系数为0的数字水印。
c.强制扫描的最后一个系数为0或者偶数,根据当前块的性质而定。如果当前块是帧内编码块,即编码时不依赖其它帧信息的块,则强制最后一个系数为偶数;如果当前块是帧间编码块,即编码时依赖其它帧信息的块,则强制最后一个系数为0。强制方法和前述FLZW和FLEW类似。该水印被称为FLW,即Force Last Watermark,强制最后系数的数字水印。
d.强制扫描的最后一个系数为奇数或0,如果是双扫描,7号系数和H号系数都被强制为奇数或0;如果最后一个系数为非0偶数,则将它变为与其最相近的奇数,向0靠拢。
e.强制扫描的最后一个系数为奇数,如果是双扫描,7号系数和H号系数都被强制为奇数;如果最后一个系数为偶数,则将它变为与其最相近的奇数,向0靠拢,0变成1。
f.类似上面的四种情况,只是强制扫描的最后n个系数做相应的变化。
g.强制改变扫描的最后一个系数,使得整个4×4块的所有系数的和为偶数,即变换块内的偶校验,如果原来系数和不是偶数,则将最后一个系数变为相邻的整数,向0靠拢,0则变为1。
h.强制改变扫描的最后一个系数,使得整个4×4块的所有系数的和为奇数,即变换块内的奇校验,如果原来系数和不是奇数,则将最后一个系数变为相邻的整数,向0靠拢,0则变为1。
i.采用上述几种数字水印的某种方式的组合,类似于c是a和b的一种组合。
j.利用扫描的最后一个系数对前一个4×4块做奇/偶校验。
k.利用扫描的最后一个系数对本宏块的运动矢量做奇/偶校验。
l.利用扫描的最后一个系数对前一个宏块的所有比特做奇/偶校验。
m.利用扫描的最后一个系数对当前宏块到当前块之前的所有比特做奇/偶校验。
n.利用扫描的最后n个系数进行上述a到d四种校验的某种组合,即利用不同的系数对不同的内容做校验,例如最后一个系数对前一个4×4块做奇/偶校验,倒数第二个系数对本宏块的运动矢量做奇/偶校验。
当应用于4×4变换的视频标准时可为:n<5;当应用于8×8变换的视频标准时可为:n<20。
本方法可以应用于检测出现在头信息、运动信息、变换系数等所有编码单元的误码,只要它们是按变长编码的形式进行编码的。
2)H.26L中水印的使用
和MPEG-1,MPEG-2,H.261,H.263视频压缩标准相比,H.26L有以下几点大的不同
a.变换采用了4×4大小的块,并有两种不同的zigzag扫描方式,见图3
b.对头信息也进行了熵编码
考虑到a,在DCT变换之后,对每个4×4的块存在两种具体的扫描方式,如图3所示,(a)是单扫描,扫描的顺序从0到15;(b)是双扫描,扫描的顺序是从0到7,从A到H。这使得每次扫描得到的系数数目是8或者16,而不是传统8×8变换的64。这必须在水印的使用上多加考虑。
考虑到b,由于头信息也进行了熵编码,当头信息发生误码错误时,就更不容易被基于语法语义检测的方法所检测到,这时,基于易碎数字水印的检测方法就显得更加重要。
在H.26L中,由于扫描得到的系数为8或者16个,为了尽可能减小使用水印造成的对视频图象质量的损失,本发明倾向于仅仅修改最后一个系数来加入水印。为了尽可能不增加编码的码率,本发明倾向于使用FLZW、FLEW和FLW三个方案。
3)其它视频标准中水印的使用
在其它视频标准中,由于扫描得到的系数为64个,为了在视频图象损失较小的情况下提高水印检测的效果,本发明倾向于仅仅修改最后n个系数来加入水印。通常n<20。
4)在非标准视频编码方法中的使用
在非标准视频编码方法中,仍然可以采用本发明的方法,在高频变换系数上加入易碎数字水印,用以检测此高频系数之前变长编码,如Huffman编码和算术编码,中的误码。
本发明的特点及效果:
1.对H.26L的实验
实验a.在实验条件为:量化参数QP=30,信道误码BER=1e-4,图象格式为CIF,测试序列为foreman,每5帧插入一个I帧;使用FLZW数字水印:
误码检测方法 | 码率(Kbits/s) | 误码检出率(%) | 错误正确定位率(%) | 编码时的PSNR(DB) | 加入水印导致的失真(DB) |
语法语义方法 | 168.8 | 4.17 | 0 | 29.1 | - |
本水印方法 | 168.8 | 29.17 | 8.33 | 29.1 | 0 |
实验b.实验条件为:量化参数QP=15,信道误码BER=1e-4,图象格式为CIF,测
试序列为foreman,每5帧插入一个I帧;使用FLZW数字水印:
误码检测方法 | 码率(Kbits/s) | 误码检出率(%) | 错误正确定位率(%) | 编码时的PSNR(DB) | 加入水印导致的失真(DB) |
语法语义方法 | 849.56 | 22.22 | 0.74 | 37.75 | -- |
本水印方法 | 849.55 | 57.04 | 17.78 | 37.75 | 0 |
实验c.实验条件为:量化参数QP=5,信道误码BER=1e-4,图象格式为CIF,测试
序列为foreman,每5帧插入一个I帧;使用FLZW数字水印:
误码检测方法 | 码率(Kbits/s) | 误码检出率(%) | 错误正确定位率(%) | 编码时的PSNR(DB) | 加入水印导致的失真(DB) |
语法语义方法 | 3194.64 | 23.04 | 0.58 | 44.6 | -- |
本水印方法 | 3189.12 | 79.13 | 45.22 | 44.55 | 0.05 |
2.对其它视频压缩标准的实验,以H.263为例
实验a.实验条件为:量化参数QP=10,信道误码BER=1e-3,图象格式为CIF,测试序列为Akiyo,每100帧插入一个I帧;限定最后27个系数为偶数
误码检测方法 | 码率(Kbits/s) | 误码检出率(%) | 错误正确定位率(%) | 编码时的PSNR(DB) | 加入水印导致的失真(DB) |
语法语义方法 | 92.56 | 34.98 | 4.93 | 36.45 | -- |
本水印方法 | 85.91 | 56.41 | 43.42 | 35.79 | 0.24 |
实验b.实验条件为:量化参数QP=10,信道误码BER=1e-4,图象格式为CIF,测试序列为Mother and Daughter,每100帧插入一个I帧;限定最后27个系数为偶数
误码检测方法 | 码率(Kbits/s) | 误码检出率(%) | 错误正确定位率(%) | 编码时的PSNR(DB) | 加入水印导致的失真(DB) |
语法语义方法 | 158.14 | 31.1 | 6.0 | 34.95 | -- |
本水印方法 | 151.31 | 62.25 | 48.53 | 34.49 | 0.28 |
上述实验从多个角度显示了,本发明在基本保持输出码率不变和加入水印导致的失真较小的情况下,误码检出率和错误正确定位率都比传统的语法语义误码检测方法有大的提高。
3.错误正确定位率的图示
如图5为错误正确定位率的图示。此图为对H.26L进行的实验,实验条件为:量化参数QP=15,信道误码BER=1e-4,图象格式为CIF,测试序列为foreman,每5帧插入一个I帧;使用FLZW数字水印;图中深色条块为使用传统检测方法的结果,浅色条块为使用本方法的结果。纵坐标为检测到错误宏块的个数。图5中横坐标的数字等于0表示正确检测到误码发生的宏块。数字等于1表示在实际误码发生的宏块的下一相邻宏块检测到误码,数字等于n表示在实际误码发生的宏块后第n个宏块检测到误码。从图中明显可以看出本发明的检测方法对比传统语法语义检测方法在错误正确定位率上有的较大的优势。
Claims (9)
1、一种基于易碎数字水印技术的误码检测方法,包括编码端处理方法和解码端检测方法,包括以下步骤:
(1)在编码端,对视频图象按混合编码方法进行变换编码/量化后,对变换系数加入易碎数字水印;
(2)对加入数字水印的码流进行信道编码,将信道编码后的码流经过信道送入解码端;
(3)在解码端,在对码流进行熵解码和反量化反变换编码后,检测水印的完整性;如果水印被损坏,则认为当前图象块有误码存在;
其特征在于,所说的步骤(1)中加入易碎数字水印的方法,是对变换系数的值进行改变,使改变后的变换系数的值满足预先设定的约束关系;所说的步骤(3)中检测水印的完整性的方法,是检测变换系数的值,是否符合所说的预先设定的约束关系。
2、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:强制设定变换系数排列的最后n个系数的值为0或者奇数或者偶数,当强制为偶数时,如果最后n个系数中的值为奇数的,则将它变为绝对值较小的相邻偶数;当强制为奇数时,如果最后n个系数中的值为偶数的,则将它变为绝对值较小的相邻奇数,0变为1;所说的n为自然数,当应用于4×4变换的视频标准时,n<5;当应用于8×8变换的视频标准时,n<20。
3、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:如果当前块是帧内编码块,则强制最后n个系数为偶数;如果当前块是帧间编码块,则强制最后n个系数为0;所说的n为自然数,当应用于4×4变换的视频标准时,n<5;当应用于8×8变换的视频标准时,n<20。
4、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:强制设定变换系数排列的最后一个系数,使得所有系数的和为偶数或者奇数,如果原来系数和不是偶数或者奇数,则将最后一个系数变为绝对值较小的相邻的整数,0则变为1。
5、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:利用变换系数排列的最后一个系数对前一块做奇/偶校验。
6、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:利用变换系数排列的最后一个系数对本宏块的运动矢量做奇/偶校验。
7、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:利用变换系数排列的最后一个系数对前一个宏块的所有比特做奇/偶校验。
8、如权利要求1所述的误码检测方法,其特征在于,所说的预先设定的约束关系为:利用变换系数排列的最后一个系数对当前宏块到当前块之前的所有比特做奇/偶校验。
9、如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的误码检测方法,其特征在于,所说的方法应用于检测出现在头信息、运动信息、变换系数等所有编码单元的误码。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20041215 |