CN1574952A - 维持图像吞吐量变更帧频以对显示资料最优的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种视频显示系统。该视频显示系统包括用于提供显示定时信号的显示发生器和用于接收输入视频数据、输入视频定时以及提供输出视频数据的帧频转换器。该系统包括用于接收帧频指示信号、视频输入定时和显示定时信号的控制逻辑。控制逻辑根据节目原始帧频变更显示发生器的显示帧频，以便维持稳定的图像吞吐量。

Description

维持图像吞吐量变更帧频以对显示资料最优的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及帧频转换，更具体地说，涉及将视频显示系统的帧频变更为对待显示资料最优。
背景技术
常常需要以视频形式显示原来以不同帧频创建的资料。通常，将具有不同帧频的内容转换为共同的帧频以便显示。为了说明与不同类型的视频内容的显示和帧频转换有关的问题，现在参照如下说明。
显示器特性
显示器可以划分成两大类型：模拟的和数字的。每种显示器类型具有其自身的优点和缺点。
模拟显示器
模拟显示器或CRT(阴极射线管)具有两个子类：逐行的和隔行的。逐行显示器、如计算机监视器显示完整的帧。它们连续地画出图像的每一行。它们画行1、行2、行3等等。对于隔行显示器、如传统的电视机，则将图像划分为两个场。第一场包含奇数行，经常被称为奇场，而第二场包含偶场，通常被称为偶场。隔行显示器将奇场和偶场在时间上交织在一起而形成完整的视频图像。
两种显示器类型都具有类似的特性。水平显示定时必须保持恒定。水平定时中的瞬时变化可引起视频信息的移位，这是因为水平偏转电路中所用的PLL(锁相环)的带宽相对较窄。垂直显示定时可以容忍一些变换，这是因为垂直偏转电路未采用PLL并可以立刻复位。由于CRT光输出的脉冲性质(低时间填充因子)，以低帧频工作会使大面积闪烁可见。看上去整个图像在闪烁。因此，CRT通常在高于其他类型显示器的帧频下工作。
数字显示器
诸如LCD屏面和等离子体屏面之类的装置被视为数字显示器。这些显示器通常是像素化的。即，这些显示器每行以及每帧的各行显示特定数量的像素。数字显示器通常显示逐行图像。隔行图像通常必须转换成逐行图像才可以显示。这种显示器的一些典型特征如下：
■水平有效视频(有效像素数量)必须保持恒定，
■垂直有效视频(有效行数量)必须保持恒定，
■总水平定时可以变更，
■总垂直定时可以变更。
由于某些数字显示器(尤其是LCD)的光输出的采样和保持性质(高时间填充因子)，在低帧频下工作通常可能不具有大面积闪烁的副作用。
内容特性
存在不同类型的资料内容，如电影内容和不同类型的视频内容。
电影内容
图1说明电影内容和显示的图像。电影内容传统上是以24赫兹速率拍摄和显示的。这意味着，每秒显示24幅图像。每幅图像一次就包含所有内容，很像摄影。通常，在电影院，每个电影帧以48赫兹或72赫兹的快门速度播放以避免大面积闪烁。
视频内容
视频内容以两种格式显示：隔行和逐行。在隔行格式中，每个图像或帧由两个场构成，一个奇场和一个偶场。奇场由图像的奇数行构成，而偶场由图像的偶数行构成。这些场在时间上和空间上交织。图2说明分成场12和14的视频帧10。
帧瞬像中的点线是图像的奇采样行。帧瞬像中的实线是图像的偶采样行。当隔行显示设备描绘图像时，它在第一场时隙内描绘奇数行，而在第二场时隙内描绘偶数行，以便将偶数行放置在奇数行之间。
对于使用60赫兹电源的国家如美国，视频帧频为30赫兹。对于使用50赫兹电源的国家如德国，视频帧频为25赫兹。使用这些帧频的典型的隔行视频系统有480i和1080i(NTSC)、576i(PAL)和1080i(PAL)。
对于逐行格式的图像，每个图像是完整的。图像的每行，奇数行和偶数行被顺序画出。这类似于显示电影的方式，只不过它是以光栅格式来进行的，即它被采样成行。例如，计算机显示器通常采用此格式。在视频域，480P和720P以此方式操作。
无论图像是隔行的还是逐行的，两种格式都共享有效视频与总视频的概念。图3显示了一个完整的视频帧11。它由2个元素组成：有效视频和消隐区。中间显示的白色区域是有效视频13。它由两个参数来确定：HACTIVE和VACTIVE。HACTIVE定义包括显示图像的每行的像素数量。VACTIVE定义包括显示图像的行的数量。黑色区域称为消隐间隔15。水平消隐区定义为每行像素数(HTOTAL)减去每行有效像素数(HACTIVE)。垂直消隐间隔定义为每场/帧的行数(VTOTAL)减去每场/帧的有效行数(VACTIVE)。
视频帧频转换
视频帧频转换在其最简单的意义上是指从一种图像速率转换为另一种图像速率。有许多种不同类型的帧频转换方法，包括从简单的丢弃/重复方法到复杂的运动补偿方法。常常使用简单的丢弃和重复方法，这是因为这种方法最易于实现为系统，且最具成本效益。
为了更详细地说明简单的丢弃和重复方法，首先必须讨论帧频。有许多种帧频可用于视频系统。如上所述，视频采用的两种常用的帧频为25赫兹(PAL)和30赫兹(NTSC)。原始的视频资料、如体育比赛或新闻节目是通过每1/50秒或1/60秒拍摄一幅场瞬像而形成的。每个场包含唯一时间点上的对象图像。
因为电影资料原来是以24赫兹创建的，它必须加以修改以便用于视频域中。对于采用60赫兹电源的国家如美国，采用了称为3∶2下拉(pulldown)的转换过程。第一电影帧通过三个视频场显示，而第二电影帧通过2个视频场显示。设想一个电影帧序列ABCD。每个帧是在最近一个帧之后隔1/24秒捕获的。在转换成视频时，该序列变为A奇、A偶、A奇、B偶、B奇、C偶、C奇、C偶、D奇、D偶，其中，下标指奇场或偶场，各场分别包含逐行电影帧的奇数行或偶数行。这种情形如图6所示。对于采用50赫兹电源的国家如德国，采用的是2∶2的下拉。在这种情况下，每个电影帧通过2个视频场来显示。设想一下如上所用的相同电影序列在2∶2下拉转换方案中的情形。视频序列将表现为：A奇、A偶、B奇、B偶、C奇、C偶、D奇、D偶。
现参照3∶2帧频，可以创建不同的上转换和下转换，具体随哪一帧将被丢弃或重复而定。当按6∶5的比率进行上转换时，一个诸如AAABB的3∶2序列可以转换成AAAABB或AAABBB。当按比率4∶5进行下转换时，相同序列的可能输出包括AAAB和AABB。这两个上转换和下转换看起来大不相同。对于对称的上转换AAABBB和下转换AABB，运动抖动相对于输入减少。运动抖动是人眼预期的图像位置与图像的实际位置之差。在这些情况下，每个电影图像显示完全相同的时间长度。对于非对称序列AAAABB和AAAB，运动抖动相对于输入增加。因此在对非对称电影资料进行上转换和下转换时必须小心，以免增加运动抖动量。以下将对此过程作更全面的描述。
上转换
在转换或重复帧方案中，如果最后的输出帧在下一个输入帧可供读取之前完成显示，则再次描绘最后的输入帧。这就是帧频上转换方法。图4说明帧频上转换。可以看出，帧A显示了两次。重复的帧用阴影来突出显示。对于上转换，在输出中重复输入帧之一。就符合3∶2下拉模式的输入序列而言，可有利地通过重复在输入中最不经常出现的帧而执行上转换。因此，输入序列将从3∶2转换为3∶3。这样保持输出序列的对称性减少了不利的运动抖动的出现。对于不符合3∶2下拉模式的资料，如视频，上转换将引入周期性运动抖动，这不是所期望的。
下转换
当显示帧频比输入帧频慢时，需要周期性地丢弃输入场。这就是帧频下转换方法。图5说明帧频下转换。
对于帧频下转换，将输入帧之一从输出序列中丢弃。这是在充分显示最后的输出帧之前，在两个输入帧准备好可供读取时完成的。然后，只采用最近输入的帧，而较早的一个则被丢弃，如图5所示。可以看出，用阴影突出显示的输入帧D已从输出帧序列中丢弃。
就符合3∶2下拉模式的输入序列而言，可通过丢弃输入中最常出现的帧而有利地执行下转换。这样，将输入序列从3∶2转换为例如2∶2，或甚至例如1∶1。这将减少观看者可见的运动抖动量。对不符合3∶2的资料如原视频资料执行下转换将引入周期性运动抖动，这不是所期望的。
运动补偿
进行帧频转换的更为复杂的方法涉及运动补偿。在此技术中，对帧中每个像素或像素组估计运动矢量，运动矢量指示图像细节从一个帧到下一个帧已发生多大的位移。此信息然后用于在时间上插入全新的帧，此全新的帧表示两个最近输入帧之间某时刻场景的状态。这样，帧以完全正确的时间流产生，这与简单地丢弃或重复帧时产生的间断的运动相反。虽然这种技术可以提供更好的性能，但由于其较高的成本，故在消费设备中并不太常用。
电影帧频转换
电视节目和广告常常可能包含视频和电影的混合。例如，在向电视观众播放电影时，可以在电影播放期间插入广告或新闻报道。于是就得到混合的帧频内容。原来以24赫兹频率拍摄的电影被转换成视频，而新闻报道制作成原视频。如果显示设备以视频帧频工作，则电影的显示将是次优的，运动抖动将会明显，而新闻报道的显示则会是完美的。相反，如果显示设备以对电影最优的速率显示，则新闻报道的显示将会有运动抖动。
因此，当电影部分与视频部分相结合以提供视频图像时，该视频图像的内容将包括运动抖动，因为它是以3∶2帧频显示的。抖动问题还可能在组合不同帧频的视频内容时出现。因此，希望能够以如下最优方式处理具有不同帧频的组合内容，以便消除或减少抖动，且不显示非自然信号。到目前为止，当不同帧频的内容组合在一起时，尚无系统可以此优化方式传送视频图像。系统和方法必须是具成本效益的，容易实现的以及可与现有的视频图像系统适配。
因此，所需要的是一种在一起提供具有不同帧频的内容时以最佳方式显示视频图像的系统和方法。本发明满足此需要。
发明内容
本发明公开了一种视频显示系统。该视频显示系统包括用于提供显示定时信号的显示发生器和用于接收输入视频数据、输入视频定时以及提供输出视频数据的帧频转换器。该系统包括用于接收帧频指示信号、视频输入定时信号和视频显示定时信号的控制逻辑。控制逻辑根据节目的原始帧频变更显示发生器的显示帧频，以便维持稳定的图像吞吐量。
附图说明
图1说明电影内容和显示图像。
图2说明划分成场的视频帧。
图3说明有效视频窗口。
图4说明帧频上转换。
图5说明帧频下转换。
图6说明电影到视频的3∶2转换。
图7说明根据本发明的、用于无缝转换资料内容帧频的系统。
图8说明特定的帧频上转换方案。
图9说明第二种帧频上转换方案，其中输入与图8中的相同。
图10是控制逻辑的框图。
图11说明一种帧频转换方案，其中，输入与图8中的相同，且帧频在B1输入帧期间变更。
具体实施方式
本发明一般地涉及帧频转换，更具体地说涉及变更视频显示系统的帧频以对待显示资料为最佳。以下所给出的说明使本专业的普通技术人员能够制造和使用本发明，本说明是在专利申请及其要求的上下文中提供的。对本说明书中描述的优选实施例、普遍原理和特征的各种修改对本专业的技术人员而言将是显而易见的。因此，并不旨在使本发明局限于所说明的实施例，而是旨在赋予本发明与这里所述原理和特征相一致的最宽范围。
根据本发明的方法和系统以对资料最佳的帧频显示图像序列。在优选实施例中，以与电影院中播放电影极为相似的方式将具有非对称电影模式的资料转换为对称模式。相反，对于每个图像是唯一的资料如视频，则以它的原始速率显示它。有关本发明特征的更为详细的说明，现在结合附图参考以下说明。
简而言之，动态地变更显示器的帧频，以允许最佳地再现运动。对于电影，这意味着变更帧频以允许根据源端的非对称模式显示对称模式。通常，对于电影内容，有两种模式必须加以处理。常规的3∶2模式，其中序列表现为AAABBCCCDD，以及变型的3∶2∶2∶3模式，其中序列表现为AAABBCCDDD。在任何一种情况下，输出将是以24赫兹的整数倍的帧频(即48赫兹、72赫兹等)显示的对称模式。对于视频资料，算法保持以资料的原始帧频、通常为50赫兹或60赫兹(依情况而定)显示。帧频之间的转变以不为观看者可见的方式进行。
图7说明无缝转换资料内容帧频的系统100。此系统中包括三个单元：丢弃和重复帧频转换器(FRC)102、显示发生器104和控制逻辑块106。下面讨论各种部件及其交互。
丢弃和重复帧频转换器(FRC)102
丢弃和重复帧频转换器102的作用是始终为来自非对称输入帧序列的电影资料提供对称输出序列。例如，由AAABB转换为AAABBB或AABB或甚至AB。FRC 102还必须在发现输入是视频时，切换回到无FRC模式、原速率。这种切换不得造成任何可见的图像破坏。由FRC逻辑块106控制FRC操作。
显示发生器104
显示发生器104定义输出图像的定时。它可以变更行定时、每帧行数量以及每秒帧数量。显示发生器106还必须能够在两种不同的帧频之间以这样的方式进行切换，以免使视频被破坏或者显示设备失去与图像的同步。
为此，可以改变三个参数：输出时钟频率、每行总像素数或每帧总行数。改变这些参数中的哪些参数或这些参数的组合取决于显示设备的特性。数字显示设备、如LCD屏面通常可容忍输入信号时基的瞬间变化。对于这样的设备，可以方便地保持时钟频率和每帧总行数恒定，并变更每行的总像素数，以便获得所需的帧频。一行中的有效像素数通常保持相同，而每行的总像素数可在无效期间(水平消隐期间)通过增加或减少像素数加以变更。这种变更将在适当的时间，例如从垂直同步脉冲后的第一行开始瞬时进行。
为了适应某些显示设备的定时要求，更方便的可能是保持每行时钟脉冲数和每帧行数恒定并变更时钟频率以便实现期望的帧频。在此情况下，可以在两个时钟周期之间边界处即刻变更时钟频率，或者可以在有限时间段上较为缓慢地变更时钟。如果时钟是用PLL合成的，则由于PLL环路带宽将会需要有限的时间。
以上技术也可应用于CRT显示设备，不过，取决于特定的CRT偏转系统的特性，在切换帧频时可能出现某些异常情况。CRT偏转系统通常不能容忍水平定时的变化(行定时)，这是因其水平振荡器特点而造成的。但是，它们可以容忍垂直定时的变化，这是因为垂直偏转电路可以在任意时刻复位。因此，在CRT上避免帧频切换造成非自然信号的一种方法是使像素时钟频率和每行像素数保持恒定，然后通过变更有效行数或通过变更无效行数来变更每帧总行数。在任何一种情况下，使射束电流发生比例变化以维持恒定的亮度可能是必要的。如果有效行数被改变，则首先会有必要以数字方式在垂直方向重新缩放图像，以便创建所需的行数。还有必要调整垂直偏转，以便使图像的垂直尺寸保持恒定。
控制逻辑106
控制逻辑106具有三个输入：帧频指示信号、输入视频定时和显示视频定时。逻辑106将最终修改FRC 102和显示发生器104。帧频指示信号用于确定内容的最佳帧频，对于电影，则用于确定输入帧序列。根据帧频指示信号、输入定时和输出定时，控制逻辑106将控制FRC 102以确保进行对称帧频转换。控制逻辑106还确定显示发生器104采用什么帧频。
根据内容的帧频优化资料
为了提供对应于特定非对称输入的对称输出，可以采取三个操作之一：修改写入FRC存储器的内容、修改从FRC存储器读取的内容或者修改在哪一个帧边界变更显示发生器的帧频。这些修改均是由控制逻辑106来控制执行的。
最终，此块确定丢弃或重复帧在何处与非对称输入序列相关。它将修改FRC写或FRC读以确保该输出对于电影是对称的。对于视频，它迫使显示发生器104进入不进行帧频转换且在输出显示所有输入信息的模式。有关控制逻辑106的操作的更进一步的描述，现参考以下结合附图的说明。
为了确保对非对称输入序列、如采用3∶2下拉比率的电影所用的正确的转换，必须对丢弃哪些帧和重复哪些帧非常小心。对于诸如AAABB的样本序列，在丢弃帧时我们想要丢弃A帧之一。这就得到AABB的对称输出序列。在重复帧时我们想要重复B帧之一。这就得到AAABBB的对称输出序列。
因为帧频是根据对资料而言最佳的显示帧频来加以变更的，所以输入视频和输出视频之间的时间关系在不断变化。正是这种变化影响帧频转换器将如何丢弃或重复帧。图8显示了三个视频流。第一个流是输入视频。第二个流是帧频与输入相同时的输出视频。你将会注意到，相对于这两个流有小的时间偏移。输出流相对于输入流大约延迟1/4帧。第三个流是以高于输入的帧频工作的输出视频。在此情况下，比率为6∶5。在此情况下，可以看到，如果进行简单的帧频转换，则帧A1显示两次。这造成比输入更不对称的输出模式。
图9显示在第一行与图8相同的输入电影序列。第二行显示帧频与输入相同但只是相对于输入延迟3/4帧的输出序列。第三个流显示了6∶5的帧频上转换。在此情况下，重复帧B1，从而得到对称的输出序列。
控制逻辑块所做的是检查输入帧和输出帧之间的定时关系，然后它会根据偏移确定哪一个帧应该重复或丢弃，然后修改写入FRC的内容、从FRC读取的内容或实际变更显示帧频的时间，以确保输出模式是对称的。随后是控制逻辑块的一个实施例。在此实施例中，控制块修改显示发生器变更帧频的时间，以确保正确的操作。并不旨在将本发明局限于所述实施例，而是旨在赋予其与本说明书中所描述的原理和特征一致的最宽的范围。
图10是控制逻辑106的框图。控制逻辑106包括相对输入输出帧偏移检测器202、区域检测器204和显示更改逻辑208。以下将更详细地讨论每个单元。
输入/输出帧偏移检测器202
偏移检测器202以像素时钟的精度测量输入到输出的帧延迟。在输入垂直定时信号w_vsync的下降沿，使计数器复位。计数器同步于输入时钟w_clk递增。
输出垂直定时信号r_vsync重新同步到输入时钟w_clk域，以避免亚稳态。在此信号的下降沿，锁存像素精度的计数器值。所锁存的值作为偏移传递给区域检测器204。
计数器还可以按行而不是按像素递增。按行递增时必须小心，以确保输入/输出定时从不在含切换点的行内，否则可能造成差错。或者，可以采用异步时钟或输出时钟，而不用输入时钟。
区域检测器204
区域检测器204检查输入帧和显示帧的相对定时。当帧频信号变高时，锁存偏移值。将这些值与预定值作比较，以确定帧频模式开始时的定时情况。每个区域指在随后的帧序列中要丢弃或重复哪一个特定帧。在此实施例中，一旦确定了区域，则在进入特定帧频模式后某个时间，显示变更信号告知显示发生器要使用适当的帧频。
考虑图11所示的各流。前两个流与图8和图9中的相同。在第三个流中，帧频在B输入帧期间发生改变。图11说明控制逻辑确定何时变更帧频。在此情况下，控制逻辑在输入帧B1期间变更帧频。这样就得到对称的输出模式。
显示变更逻辑208
显示变更逻辑208根据检测到的区域、电影模式类型以及当前帧相对于电影序列模式的所在的位置，修改帧频转换操作。它可以确定将哪一个视频帧写入FRC存储器中以及显示帧频何时变更，它可以告诉帧频转换器从存储器中读取哪一个帧以及显示速率何时变更或者它可以告知显示发生器何时变更显示帧频。
实施例
上述核心逻辑可单独使用或者可以与其他部件相连以形成一个系统。该系统可以接收数字化的原始数据或从MPEG解码器接收解码的视频或视频；可以接收逐行输入或隔行输入；可以从外部源、从内部MPEG解码器或内部检测器接收其帧频变更指示信号(在所述实施例中为电影指示信号)。运动自适应隔行转隔行可以针对隔行输入在帧频转换之前执行，或者它可以在帧频转换之后执行。可选地，可以增加扫描转换器，用于变更每行像素数、每帧行数或者甚至图像形状。系统输出可以是数字的或模拟的。
根据本发明的方法和系统通过动态切换帧频，显示可能得到的最佳图像，这取决于内容。在优选实施例中，将非对称电影模式(其中一个图像显示3/60秒，而下一个图像显示2/60秒)转换为对称模式，其中，每个图像显示相同的时间长度，如2/48秒或3/72秒(均等于1/24秒，实际上以与电影院中播放电影极其相似的方式以2倍速或3倍快门速度来播放每个图像)。相反，其中每个图像唯一的视频资料以其原始速率显示。
虽然已参照所示实施例对本发明作了说明，但本专业的普通技术人员会轻易地认识到，可以对所述实施例作各种变化，而这些变化将在本发明的精神和范围内。
例如，帧频可以利用频率恒定的时钟并通过变更HTOTAL值加以控制。帧频可以利用频率恒定的时钟并通过变更VTOTAL值加以控制。帧频可以利用恒定的HTOTAL和VTOTAL并通过变更时钟频率而加以控制。此外，视频显示系统可以是LCD(液晶显示器)、DLP(数字光线处理)、PDP(等离子体显示器)或其他其中帧频可以立即切换而又不产生非自然信号的像素显示装置。
可以修改帧频转换以确保得到对称的输出，具体是通过修改写入FRC的内容、从FRC读取的内容或帧频何时进行变更来实现的。
视频显示系统还可以是CRT或其他其中帧频可以在有限时间间隔内以不引起非自然信号的方式逐渐切换的光栅显示装置。此外，帧频控制可以根据源资料来自电影还是视频来进行。最后，帧频转换器可以从非对称模式转换为对称模式。因此，本专业的普通技术人员可以在不背离所附权利要求书的精神和范围的情况下作出许多种修改。

Claims (14)

1.一种视频显示系统，包括：
用于提供显示定时信号的显示发生器；
用于接收输入视频数据、输入视频定时以及提供输出视频数据的帧频转换器；以及
用于接收帧频指示信号、所述视频输入定时和所述视频显示定时信号的控制逻辑，其中，所述逻辑根据节目的原始帧频变更所述显示发生器的显示帧频，以便维持稳定的图像吞吐量。
2.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，帧频是利用频率恒定的时钟并通过变更每行像素数的值而加以控制的。
3.如权利要求1所述的视频系统，其特征在于，帧频是利用恒定的时钟并通过变更每场/帧的行数的值而加以控制的。
4.如权利要求1所述的视频系统，其特征在于，帧频是利用恒定的每行像素数和每场/帧的行数并通过变更所述时钟而加以控制的。
5.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，所述显示设备是液晶显示器、数字光线处理显示器、等离子体显示器或其他像素显示装置，其中，所述帧频可以立刻变更而不产生非自然信号。
6.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，所述显示设备是阴极射线管或其他其中可以在有限时间间隔上变更帧频而不造成非自然信号的光栅显示装置。
7.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，对所述帧频的控制基于所述源资料来自电影还是视频。
8.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，所述帧频转换器可以将非对称模式转换为对称模式。
9.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，修改写入所述帧频转换器的数据以便提供对称输出。
10.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，修改从所述帧频转换器读出的数据以提供对称输出。
11.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，在适当的场或帧边界修改所述帧频变更点以提供对称输出。
12.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，所述帧频指示包括电影指示信号。
13.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，所述控制逻辑包括：
测量输入到输出帧延时的偏移检测器；
检查所述输入和所述显示帧的相对定时的区域检测器；以及
定义所述帧频何时变更的显示变更逻辑。
14.如权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于，所述控制逻辑检测所述输入定时和所述输出定时之间的特定时间关系并调整根据所述时间关系自适应地调整所述帧频。
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