DE10115043A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Kamerasystems, insbesondere eines auf einem Fahrzeug angeordneten Kamerasystems - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Kamerasystems, insbesondere eines auf einem Fahrzeug angeordneten KamerasystemsInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Kalibrierung eines Kamerasystems wird eine Kamera auf einen Referenzkörper ausgerichtet, wobei der Referenzkörper optisch erfasst und in einer Auswerteeinheit des Kamerasystems die relative Position der Kamera zu einem Referenzkoordinatensystem ermittelt wird. DOLLAR A In einer einfachen Ausführung wird der Referenzkörper in der Weise ausgerichtet, dass eine Referenzlinie des Referenzkörpers mit einer Geraden im Referenzkoordinatensystem zusammenfällt. Die Referenzlinie wird vom Kamerasystem optisch und rechnerisch erfasst, anschließend wird der Winkel zwischen der Referenzlinie und einer zugeordneten Geraden im Kamera-Koordinatensystem ermittelt und zur Korrektur der Abweichung zwischen Kamera-Koordinatensystem und Referenzkoordinatensystem herangezogen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich
tung zur Kalibrierung eines Kamerasystems, insbesondere eines
auf einem Fahrzeug angeordneten Kamerasystems, nach dem Ober
begriff des Anspruches 1 bzw. 9.
In der Offenlegungsschrift DE 195 36 297 Al ist ein Kalibrie
rungsverfahren beschrieben worden, bei dem zur geometrischen
Kalibrierung von optischen 3D-Sensoren zur dreidimensionalen
Vermessung von Objekten relativ zu einem Referenzkoordinaten
system ein Kalibrierungsgegenstand von einer Kamera in ver
schiedenen Positionen aufgezeichnet und in einer der Kamera zu
geordneten Auswerteeinheit ausgewertet wird. Der Kalibrierungs
gegenstand ist mit einer schwarzweiß gestreiften Oberfläche
versehen, die von einem der Kamera zugeordneten Beleuchtungs
projektor mit definierten Lichtstrukturen angestrahlt wird, wo
durch ein bestimmtes Reflektionsmuster entsteht. Aus der Re
flektion des Musters kann auf die Position der Kamera im Refe
renzkoordinatensystem geschlossen werden, wobei Abweichungen
des kamerafesten Koordinatensystems vom Referenzkoordinatensys
tem entweder durch eine Justierung des Kamerasystems korrigiert
oder rechnerisch bei der Auswertung eines aufgenommenen Bildes
berücksichtigt werden können.
Dieses auf den Prinzipien der Steifenprojektion und der Trian
gulation beruhende Verfahren setzt voraus, dass dem Kamerasys
tem ein Beleuchtungsprojektor zugeordnet ist, welcher in der
Lage ist, definierte Lichtstrukturen zu erzeugen. Weiterhin
müssen vergleichsweise aufwendige Auswertealgorithmen durchlau
fen werden, mit denen das vom Kamerasystem aufgenommene Reflek
tionsmuster zur Bestimmung der Kameraposition untersucht wird.
Eine weitere Kalibrierungseinrichtung wird in der Druckschrift
DE 198 31 340 C1 beschrieben, aus der es bekannt ist, zur Aus
richtung einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von
Werkstücken eine Kalibrierplatte vor dem Kameraobjektiv anzu
ordnen und zu vermessen, wobei der Laserstrahl der Einrichtung
zum Schreiben einer Testmarkierung auf eine Testplatte gelenkt
wird. Das Bild der Testmarkierung wird gemeinsam mit dem Bild
der Kalibrierplatte vom Kamerasystem der Laserbearbeitungsma
schine aufgenommen und in einer zugeordneten Steuereinrichtung
ausgewertet.
Dieses Verfahren setzt den Einsatz einer Lasereinrichtung vor
aus und ist aus diesem Grund für die Kalibrierung von aus
schließlich optisch funktionierenden Kamerasystemen nicht ge
eignet.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Kamerasystem,
insbesondere ein Kamerasystem zum Einsatz in einem Fahrzeug,
mit einfachen Mitteln zu kalibrieren. Die Kalibrierung soll
zweckmäßig auch unter erschwerten Bedingungen möglich sein,
welche einer hochgenauen Ausrichtung einzelner Bauteile zuein
ander üblicherweise zuwider laufen, beispielsweise in einer
Montagehalle.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An
spruches 1 bzw. 9 gelöst.
Gemäß dem neuartigen Verfahren wird ein Referenzkörper im
Blickfeld des Kamerasystems in der Weise im Referenzkoordina
tensystem - üblicherweise ein Inertialsystem bzw. Weltsystem -
positioniert, so dass eine Referenzlinie auf oder am Referenz
körper mit einer Geraden im Referenzkoordinatensystem zusammen
fällt. Diese Referenzlinie wird von der Kamera erfasst und als
rechnerische Linie in der Auswerteeinheit weiter verarbeitet,
indem der Winkel zwischen der Referenzlinie und einer zugeord
neten Geraden im kamerafesten Koordinatensystem ermittelt wird.
Dieser Winkel kennzeichnet die Winkelabweichung in der betrach
teten Ebene zwischen dem Kamera-Koordinatensystem und dem Refe
renzkoordinatensystem, die zur Korrektur des Kamerasystems he
rangezogen werden, wobei die Korrektur entweder in der Weise
erfolgen kann, dass die Position des Kamerasystem neu justiert
wird, bis das Kamera-Koordinatensystem die gewünschte Lage zum
Referenzkoordinatensystem erreicht hat, oder ausschließlich auf
rechnerischem Wege erfolgt, indem das von der Kamera erzeugte
Bild auf die gewünschte Lage gedreht und ausgerichtet wird oder
die Winkelabweichung bei der folgenden Auswertung erzeugter
Bilder berücksichtigt wird.
Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass der Abstand der
Kamera vom Referenzkörper nur grob geschätzt werden muss, je
doch nicht exakt bestimmt werden muss, wodurch der Aufwand für
die Durchführung des Verfahrens vereinfacht wird und insbeson
dere aufwendige Apparaturen zur Positionsfestlegung des Refe
renzkörpers entfallen können. Gegebenenfalls kann der Abstand
zwischen Kamera und Referenzkörper völlig außer Acht gelassen
werden. Außerdem kann mit vergleichsweise großen Toleranzen ge
arbeitet werden, weil das in der Kamera aufgenommene Bild rech
nerisch in der Auswerteeinheit des Kamerasystems ausgewertet
und insofern die äußeren Bedingungen wie Schmutz, Temperatur
oder ähnliches praktisch keine Rolle spielen, da auf eine Ver
messung des Referenzgegenstandes in Bezug auf die Dimensionie
rung oder gegebenenfalls eines Oberflächenmusters verzichtet
werden kann.
Die Ausrichtung des Referenzkörpers im Referenzkoordinatensys
tem kann mit vergleichsweise geringem Aufwand durchgeführt wer
den, weil lediglich eine einzige Referenzlinie des Referenzkör
pers mit einer definierten Geraden zusammenfallen muss, bei
spielsweise die Längsachse des Referenzkörpers mit der Verti
kalachse des Referenzkoordinatensystems. Im Übrigen spielt die
Ausrichtung des Referenzkörpers keine oder nur eine untergeord
nete Rolle.
Zweckmäßig wird als Referenzlinie die Seitenkontur des Refe
renzkörpers ermittelt, beispielsweise unter Anwendung des Ver
fahrens der Kantendetektion und des Linienfits. Die Seitenkon
tur wird insbesondere beim Einsatz langgestreckter Grundkörper
als Referenzkörper ermittelt, deren Seitenkontur parallel zur
Körper-Längsachse verläuft oder zumindest parallel zur Längs
achse vermessen bzw. ermittelt wird. In weiterer bevorzugter
Ausgestaltung, die insbesondere bei zur Längsachse symmetrisch
ausgebildeten Referenzkörpern zum Einsatz kommt, beispielsweise
bei zylindrischen, quaderförmigen oder konus- bzw. kegelförmi
gen oder pyramidenförmigen Grundkörpern, wird der Verlauf von
zwei gegenüberliegenden Seitenkonturen ermittelt und als Refe
renzlinie die Mittellinie zwischen den Seitenkonturen herange
zogen; in dieser Ausführung werden Ungenauigkeiten in der Sym
metrie des Referenzkörpers auf Grund der Mittelung über den
Querschnitt zumindest teilweise kompensiert.
Alternativ oder zusätzlich zur Aufnahme und Berechnung der Sei
tenkontur kann als Referenzlinie auch eine Musterlinie auf der
Oberfläche des Referenzkörpers dienen. Die Musterlinie wird von
dem Kamerasystem aufgenommen und als Referenzlinie für den Ver
gleich mit dem Kamera-Koordinatensystem herangezogen.
Vorteilhaft wird zumindest der Rollwinkel des Kamera-
Koordinatensystem in Bezug auf das Referenz-Koordinatensystem
bestimmt, welcher als Winkel in der Bildebene der Kamera zwi
schen der Referenzlinie und der zugeordneten Geraden im Kamera-
Koordinatensystem ermittelt wird. Zusätzlich und gegebenenfalls
auch alternativ zum Rollwinkel können aus geometrischen Zusam
menhängen der Nickwinkel und der Gierwinkel bestimmt werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun
gen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Kamerasystem mit ei
ner Kamera und einer Auswerteeinheit auf einem
Fahrzeug, mit einem seitlich zur optischen Achse
der Kamera versetzten und aufrecht auf dem Boden
stehenden Referenzkörper im Blickfeld der Kame
ra,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Kamera nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht aus dem Blickwinkel der Kamera,
Fig. 4 bis Fig. 6 den Fig. 1 bis 3 entsprechende Ansichten, jedoch
mit einem senkrecht und ohne seitlichen Versatz
zur optischen Achse der Kamera stehenden Refe
renzkörper,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Kamerasystem, das gegen
über einer Fahrzeuglängsachse mit seitlichem
Versatz angeordnet ist, wobei der Referenzkörper
zusätzlich einen seitlichem Versatz zur opti
schen Achse der Kamera aufweist.
Bei den in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen
sind gleiche Bauteile bzw. gleiche Achsen, Linien und Winkel
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in Fig. 1 dargestellte Kamerasystem 1 ist auf einem Fahr
zeug 4 angeordnet und umfasst eine Kamera 2 sowie eine mit der
Kamera 2 kommunizierende Auswerteeinheit 3, in der die von der
Kamera 2 aufgenommenen Bilder ausgewertet werden. Über das Kame
rasystem 1 soll insbesondere im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 4 die
Position des Fahrzeugs in Bezug auf die Umgebung, insbesondere
relativ zur Fahrspurmarkierung, festgestellt werden, wobei die
Information über die genaue Fahrzeugposition beispielsweise in
Fahrerassistenzsystemen weiterverarbeitet werden kann.
Um die Kamera 2 auf dem Fahrzeug 4 relativ zu einem absoluten,
der Welt angehörenden Referenzkoordinatensystem 7 zu kalibrie
ren, wird nach der Montage des Kamerasystems auf dem Fahrzeug
ein Kalibrierverfahren angewandt, mit dem Winkelabweichungen
des kamerafesten Koordinatensystems 6 gegenüber dem Referenzko
ordinatensystem 7 kompensiert werden können.
Zur Durchführung des Kalibrierverfahrens wird im Blickfeld der
Kamera 2 ein Referenzkörper 5 positioniert, welcher in Bezug
auf das absolute Referenzkoordinatensystem 7 eine vorgegebene
Ausrichtung einnimmt, in dem zweckmäßig die Längsachse 8 des
Referenzkörpers 5 mit der Hochachse des Referenzkoordinatensys
tems 7 zusammenfällt; der Referenzkörper 5 steht senkrecht auf
dem Boden. Die optische Achse 9 der Kamera 2 ist identisch mit
der Längsachse des Kamera-Koordinatensystems 6 und kennzeichnet
üblicherweise den Bildmittelpunkt des Kamerabildes. Der Durch
stoßpunkt der optischen Achse 9 durch die Bildebene 10 des von
der Kamera erzeugten Bildes ist, wie Fig. 3 zu entnehmen, mit
dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
Der Draufsicht nach Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Kamera 2
mit dem Kamera-Koordinatensystem 6 einen Gierwinkel β gegenüber
dem Referenzkoordinatensystem 7 aufweist, wobei der Gierwinkel
β bedeutet, dass die optische Achse 9 der Kamera 2 um die Hoch
achse des Kamera-Koordinatensystems 6 verdreht ist. Der Refe
renzkörper 5 wird zweckmäßig in der Weise in Bezug auf das
Fahrzeug angeordnet, dass die Fahrzeuglängsachse die Längsachse
8 des Referenzkörpers 5 schneidet, so dass bei entsprechender
Ausrichtung des Referenzkoordinatensystems 7 die Fahrzeuglängs
achse mit einer Achse des Referenzkoordinatensystems zusammen
fällt. In dieser Ausführung ist der Gierwinkel β identisch mit
der Verdrehung der Kamera 2 um die Kamera-Hochachse gegenüber
der Fahrzeuglängsachse.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht des Referenzkörpers 5 aus dem Blick
winkel der Kamera. Der Referenzkörper 5 ist vorteilhaft als
langgestreckter Grundkörper ausgeführt, beispielsweise als zy
lindrische Stange oder als Stange mit viereckigem Querschnitt,
wobei aufgrund der vertikalen Ausrichtung des Referenzkörpers 5
zum Boden und der geneigten optischen Achse der Kamera der Re
ferenzkörper 5 eine optische Verzerrung in der Bildebene 10 der
Kamera erfährt, bei der die seitlichen Konturen 12a und 12b des
Referenzkörpers 5 trotz eines über die Länge gleichbleibenden
Querschnitts eine konusförmige Gestalt einnehmen. Der Durch
stoßpunkt 11 der optischen Achse der Kamera durch die Bildebene
10 liegt in dieser Ausführung außerhalb der Mittellinie bzw.
Längsachse 8 des Referenzkörpers 5.
Bei dem Kalibrierverfahren wird eine Referenzlinie des Refe
renzkörpers 5, der von der Kamera 2 aufgenommen wird, in der
Auswerteeinheit des Kamerasystems ermittelt und in Bezug zum
Kamera-Koordinatensystem gesetzt. Im Ausführungsbeispiel wird
als Referenzlinie die Längsachse bzw. Mittellinie 8 des Refe
renzkörpers 5 bestimmt, indem zunächst die Seitenkonturen 12a
und 12b des Referenzkörpers ermittelt werden und anschließend
auf rechnerischem Wege in der Auswerteeinheit die Mittellinie
zwischen den Seitenkonturen 12a und 12b bestimmt wird. Diese
Mittellinie bzw. Längsachse 8, die aufgrund der vertikalen Po
sition des Referenzkörpers 5 auf dem Boden mit der Hochachse
des Referenzkoordinatensystems 7 zusammenfällt, wird in Bezug
zum Kamera-Koordinatensystem gesetzt und dient der Ermittlung
des Rollwinkels γ, der gemäß Fig. 3 als Winkel zwischen dem Ho
rizont 13 im Bild der Kamera und einer Linie 14 definiert ist,
welche parallel zu einer Querachse des Kamera-
Koordinatensystems 6 liegt. Gegebenenfalls werden die Seiten
konturen direkt in Bezug zum Kamera-Koordinatensystem gesetzt
und als Referenzlinie herangezogen.
Bei Kenntnis des Verlaufs der Referenzlinie - im Ausführungs
beispiel nach den Fig. 1 bis 3 die Mittellinie 8 - können
zusätzlich zum Rollwinkel γ auch der Nickwinkel α und der Gier
winkel β berechnet werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 bis 6 ist der
Referenzkörper 5 gegenüber dem Boden sowie dem Referenzkoordi
natensystem 7 um den Nickwinkel α geneigt angeordnet, so dass
die optische Achse 9 der Kamera 2 senkrecht auf die Oberfläche
des Referenzkörpers 5 trifft. Der Nickwinkel α kann in einem
einfachen Iterationsverfahren dadurch festgestellt werden, dass
der Referenzkörper 5 in verschiedenen Neigungslagen positio
niert wird, diese Neigungslagen von der Kamera aufgenommen wer
den und in der Auswerteeinheit des Kamerasystems bestimmt wird,
ob die Seitenkonturen 12a und 12b des Referenzkörpers 5 einen
auf die perspektivische Verzerrung zurück zu führenden Winkel
einschließen. Liegt der Winkel zwischen des Seitenkonturen 12a
und 12b unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, kann mit hin
reichender Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass der Refe
renzkörper 5 mit seiner Längsachse 8 gegenüber dem Referenzko
ordinatensystem 7 um den Nickwinkel α verschwenkt ist; in die
sem Fall liegt keine optische Verzerrung im Bild des Referenz
körpers 5 vor. Bei Ausschluss derartiger Verzerrungen können
Nickwinkel α, Gierwinkel β und Rollwinkel γ mit größerer Genau
igkeit bestimmt werden.
Die um den Nickwinkel α geneigte Position des Referenzkörpers
5 kann näherungsweise auch dadurch festgestellt werden, dass
eine Mehrzahl von Referenzkörpern 5 nebeneinander in unter
schiedlichen Neigungslagen angeordnet sind, wobei derjenige Re
ferenzkörper, dessen Seitenkonturen die geringste Verzerrung
aufweisen, der um den Nickwinkel α geneigten Position am
nächsten kommt. Eine derartige Referenzeinrichtung mit einer
Mehrzahl von Referenzkörpern, die zueinander um diverse Winkel
lagen fest oder einstellbar verschwenkt sind, ist in Fig. 4 mit
gestrichelter Linie eingezeichnet.
Wie Fig. 5 in Verbindung mit Fig. 6 zu entnehmen, ist in diesem
Ausführungsbeispiel, in welchem die Längsachse des Fahrzeuges
die Längsachse 8 des Referenzkörpers 5 schneidet, aufgrund ei
ner geradlinigen Ausrichtung der Kamera 2, bei der die opti
schen Achse 9 mit der Fahrzeuglängsachse zusammenfällt, kein
Gierwinkel gegenüber dem Referenzkoordinatensystem 7 vorhanden.
Der Draufsicht nach Fig. 7 ist zu entnehmen, dass die optische
Achse 9 der Kamera 2 einen Gierwinkel β* mit der Fahrzeuglängs
achse 15 einschließt und mit seitlichem Versatz zur Fahrzeug
längsachse 15 angeordnet ist. Außerdem schließt in Draufsicht
der Referenzkörper 5 einschließlich dem Referenzkoordinatensys
tem 7 einen weiteren Gierwinkel β gegenüber dem Kamera-
Koordinatensystem 6 ein, so dass die Fahrzeuglängsachse 15 ge
genüber der entsprechenden Achse des Referenzkoordinatensystems
7 einen Gierwinkel β* + β aufweist.
Claims (9)
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Kamerasystems, insbesondere
eines auf einem Fahrzeug angeordneten Kamerasystems, bei dem
eine Kamera (2) des Kamerasystems (1) auf einen Referenzkörper
(5) ausgerichtet, der Referenzkörper (5) optisch erfasst und in
einer Auswerteeinheit (3) des Kamerasystems (1) die relative
Position der Kamera (2) zu einem Referenzkoordinatensystem (7)
ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Referenzkörper (5) in der Weise zu dem Referenzko ordinatensystem (7) ausgerichtet wird, dass eine Referenzli nie des Referenzkörpers (5) mit einer Geraden im Referenzko ordinatensystem (7) zusammenfällt,
dass die Referenzlinie des Referenzkörpers (5) vom Kamera system (1) optisch und rechnerisch erfasst wird,
dass der Winkel zwischen der Referenzlinie bzw. einer mit der Referenzlinie zusammenhängenden Linie und einer zugeord neten Geraden im Kamera-Koordinatensystem (6) ermittelt und zur Korrektur der Abweichung zwischen dem Kamera- Koordinatensystem (6) und dem Referenzkoordinatensystem (7) herangezogen wird.
dass der Referenzkörper (5) in der Weise zu dem Referenzko ordinatensystem (7) ausgerichtet wird, dass eine Referenzli nie des Referenzkörpers (5) mit einer Geraden im Referenzko ordinatensystem (7) zusammenfällt,
dass die Referenzlinie des Referenzkörpers (5) vom Kamera system (1) optisch und rechnerisch erfasst wird,
dass der Winkel zwischen der Referenzlinie bzw. einer mit der Referenzlinie zusammenhängenden Linie und einer zugeord neten Geraden im Kamera-Koordinatensystem (6) ermittelt und zur Korrektur der Abweichung zwischen dem Kamera- Koordinatensystem (6) und dem Referenzkoordinatensystem (7) herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Referenzlinie die Seitenkontur (12a,
12b) des Referenzkörpers (5) im Kamerasystem (1) ermittelt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass gegenüberliegende Seitenkonturen (12a, 12b) ermittelt und
zwischen die Seitenkonturen (12a, 12b) eine rechnerische Mit
tellinie als Referenzlinie gelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet
dass als Referenzlinie eine Musterlinie auf der Oberfläche des
Referenzkörpers (5) herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Referenzkörper (5) ein langgestreckter Grundkörper mit
symmetrischer Querschnittsgeometrie herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper einen über seine Länge konstanten Quer
schnitt aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Referenzkörper (5) senkrecht zu einer eben im Refe
renzkoordinatensystem (7) angeordneten Referenzfläche positio
niert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rollwinkel (γ) zwischen Kamera-Koordinatensystem (6)
und Referenzkoordinatensystem (7) als Winkel in der Bildebene
(10) der Kamera (2) zwischen einer Referenzlinie und der zuge
ordneten Geraden im Kamera-Koordinatensystem (6) ermittelt
wird.
9. Vorrichtung zur Kalibrierung eines Kamerasystems, insbeson
dere eines auf einem Fahrzeug angeordneten Kamerasystems, ins
besondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor
hergehenden Ansprüche, mit einer dem Kamerasystem (1) zugeord
neten Kamera (2) und einer Auswerteeinheit (3) zur Auswertung
des Kamerabildes, und mit einem Referenzkörper (5) im Blickfeld
der Kamera (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Kamerasystem (1) ein Abbild mit einer Referenzlinie
des Referenzkörpers (5) erzeugbar ist und dass die Abweichung
der Referenzlinie relativ zu einer Geraden in einem kamerafes
ten Koordinatensystem (6) ermittelbar ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=24222854
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