DE102017117594A1 - Automated detection of headlight misalignment - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer automatisierten Erkennung einer Scheinwerferfehlstellung, bei dem ein Fahrzeug im Frontbereich mindestens einen Scheinwerfer und mindestens eine Kamera aufweist, deren Kalibrierdaten bekannt sind, wobei die mindestens eine Kamera Bilder (400) in Form von Pixeln aufnimmt, wobei aus den Kalibrierdaten mittels Epipolargeometrie zu jedem Pixel (404) des Bildes (400) eine Epipolarlinie (404) berechnet wird, wobei der mindestens eine Scheinwerfer mindestens ein charakteristisches Merkmal in ein Fahrzeugvorfeld projiziert, wobei die mindestens eine Kamera in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zwei Bilder (400) des Fahrzeugvorfeldes aufnimmt und an einen Speicher weiterleitet, wobei eine Bildverarbeitungssoftware in dem ersten der Kamera nach mindestens einem charakteristischen Merkmal (302) sucht, wobei ein jeweiliges dem mindestens einen charakteristischen Merkmal (302) zugeordnetes Pixel (402) identifiziert wird, wobei die Bildverarbeitungssoftware in dem zweiten Bild nach dem gleichen charakteristischen Merkmal (302) sucht und bei Auffindung feststellt, ob es sich auf der Epipolarlinie (404) des jeweiligen zugeordneten Pixels (402) des ersten Bildes befindet, wobei bei einer Abweichung von der Epipolarlinie (404) eine Fehlerfunktion berechnet wird, und wobei bei einem Überschreiten des berechneten Werts der Fehlerfunktion von einem vorbestimmten Wert der Fehlerfunktion eine automatische Scheinwerferkalibrierung ausgelöst wird, welche neue Kalibrierdaten erzeugt.The present invention relates to a method for automated detection of a headlight misalignment, in which a vehicle in the front region at least one headlamp and at least one camera whose calibration data are known, wherein the at least one camera images (400) in the form of pixels receives, wherein the epi-polar geometry is used to calculate an epipolar line (404) for each pixel (404) of the image (400), the at least one headlight projecting at least one characteristic feature into a vehicle apron, the at least one camera capturing two images at a predetermined time interval (FIG. 400) of the vehicle apron and forwards to a memory, wherein image processing software in the first of the camera searches for at least one characteristic feature (302), wherein a respective pixel (402) associated with the at least one characteristic feature (302) is identified, wherein the Bildver in the second image searches for the same characteristic feature (302) and determines if it is located on the epipolar line (404) of the respective associated pixel (402) of the first image, wherein a deviation from the epipolar line (404) an error function is calculated, and wherein when the calculated value of the error function is exceeded by a predetermined value of the error function, an automatic headlight calibration is triggered, which generates new calibration data.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zu einer automatisierten Erkennung und Korrektur einer Scheinwerferfehlstellung mittels Epipolargeometrie.The present invention relates to a method and a system for an automated detection and correction of a headlight misalignment by means of epipolar geometry.
Eine 3D Rekonstruktion eines vor einem optischen System befindlichen Raumes bildet die Basis für eine rechnergesteuerte Bildanalyse und ist von essentieller Bedeutung für sich autonom bewegende Systeme, deren umliegender Raum erkundet werden muss. Ein Standardverfahren der 3D Rekonstruktion ist eine Triangulation, d.h. eine Abstandsmessung durch genaue Winkelbestimmung innerhalb eines Dreiecks, welches zwei Punkte des optischen Systems mit einem jeweiligen Punkt eines Objekts im Raum bilden. Man unterscheidet zwischen passiver und aktiver Triangulation. Bei der passiven Triangulation befindet sich an zwei Punkten des optischen Systems jeweils ein Beobachter, was beispielsweise in einer Stereokamera Anwendung findet, die ein Objekt im Raum unter verschiedenen Winkeln aufnimmt. Demgegenüber wird bei der aktiven Triangulation, welche ein häufig in der optischen Abstandsmessung eingesetztes Messprinzip darstellt, ein Beobachtungspunkt durch eine Lichtquelle ersetzt, das Dreieck also aus Lichtstrahl, angestrahltem Objekt und Kamera gebildet.A 3D reconstruction of a space in front of an optical system forms the basis for a computer-aided image analysis and is of essential importance for autonomously moving systems whose surrounding space has to be explored. A standard method of 3D reconstruction is triangulation, i. a distance measurement by exact angle determination within a triangle, which form two points of the optical system with a respective point of an object in space. One distinguishes between passive and active triangulation. In passive triangulation, there is one observer at each of two points of the optical system, which is used, for example, in a stereo camera which takes an object in space at different angles. In contrast, in the case of active triangulation, which is a measuring principle frequently used in optical distance measurement, an observation point is replaced by a light source, ie the triangle is formed by the light beam, the illuminated object and the camera.
Bei einem Kraftfahrzeug ist die Lichtquelle vorteilhaft bereits durch einen Scheinwerfer gegeben, der zusammen mit einer im Frontbereich verbauten Kamera das optische System bildet. Mittels des Scheinwerfers lässt sich ein Muster in ein Fahrzeugvorfeld projizieren, welches abhängig von einer Oberflächenstruktur im Fahrzeugvorfeld oder von sich dort befindlichen Objekten verformt von der Kamera aufgenommen wird. Anschließend führt ein Bildverarbeitungssystem eine Merkmalssuche durch, bspw. die Identifikation mehrerer charakteristischer Wechsel von Hell-Dunkel-Grenzen innerhalb des projizierten Musters. Für die Qualität der Bildverarbeitung ist dabei die genaue Kenntnis einer fahrzeugspezifischen Lichtverteilung des Scheinwerfers von großer Bedeutung, was eine Kalibrierung eines Scheinwerfer-Kamera-Systems unabdingbar macht.In a motor vehicle, the light source is advantageously already given by a headlight, which forms the optical system together with a built-in front camera. By means of the headlamp, a pattern can be projected into a vehicle apron, which is absorbed by the camera as a function of a surface structure in the vehicle apron or of objects located there. Subsequently, an image processing system performs a feature search, for example, the identification of several characteristic changes of light-dark boundaries within the projected pattern. For the quality of the image processing, the exact knowledge of a vehicle-specific light distribution of the headlight is of great importance, which makes a calibration of a headlight camera system indispensable.
Die Kalibrierung findet initial bei der Produktion des Fahrzeugs statt und wird danach im Allgemeinen nicht mehr angepasst. Sie umfasst als Kalibrierdaten die Position, Orientierung und den inneren Aufbau des Scheinwerfers und der Kamera. Einzig die auch automatisiert durchführbare Einstellung des vom Scheinwerfer eingenommenen Neigungswinkels ist weiterhin veränderbar. Hierzu seien im Folgenden zwei Verfahren aus dem Stand der Technik genannt.The calibration takes place initially during the production of the vehicle and is then generally no longer adjusted. It includes the position, orientation and internal structure of the headlight and the camera as calibration data. Only the automated adjustment of the angle of inclination taken by the headlamp remains variable. For this purpose, two methods from the prior art are mentioned below.
Eine Justage eines Scheinwerfers anhand des von einer Kamera erfassten Abblendlichtes, dessen ausgeleuchtete Fläche mit einer dunkleren Umgebung eine Hell-Dunkel-Grenze bildet, wird bspw. in der Druckschrift
Ein weiteres Verfahren zum Überprüfen der Einstellung eines Scheinwerfers in einem Kraftfahrzeug zeigt die Druckschrift
Mit einem Scheinwerfer, dessen genaue Position und Orientierung relativ zu der im Frontbereich verbauten Kamera kalibriert wurde, kann mittels der aktiven Triangulation eine Tiefenmap des vor dem Fahrzeug befindlichen Bereichs erstellt werden. Problematisch ist, wenn bspw. Stellschrauben der Scheinwerfermontage durch Wartungsarbeiten im Motorraum, ggfs. beiläufig, verstellt werden, und durch eine Verwendung nicht korrigierter Kalibrierdaten dann fehlerhafte Abstandswerte zu Stande kommen.With a headlight whose exact position and orientation has been calibrated relative to the camera installed in the front area, active triangulation can be used to create a depth map of the area in front of the vehicle. It is problematic if, for example, adjusting screws of the headlight assembly by maintenance in the engine compartment, if necessary. Be casually adjusted, and then by using non-corrected calibration data then erroneous distance values come to pass.
Eine grundsätzliche, theoretische Beschreibungsmöglichkeit des aus zwei Beobachtungspunkten und einem Objekt bestehenden optischen Systems ist durch die Epipolargeometrie gegeben, welche einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Aufnahmen des gleichen Objekts beschreibt. Ein von dem Objekt gebildeter Bildpunkt, der in eine Sichtlinie zu einem ersten Beobachtungspunkt nur seinen Abstand ändert und damit als Punkt unveränderlich erscheint, korrespondiert mit einem Bildpunkt, der sich, von dem zweiten Beobachtungspunkt aus gesehen, nur auf einer Linie, der sogenannten Epipolarlinie, verändert. Dementsprechend muss bei bekannter Epipolargeometrie zum Auffinden des Bildpunktes nur entlang dieser Epipolarlinie gesucht werden. Im Bereich des maschinellen Sehens ist die Epipolargeometrie von großer Bedeutung. Die Druckschrift
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine im laufenden Fahrbetrieb ausführbare Kalibrierung der Scheinwerfer bereitzustellen, welches Änderungen der Kalibrierdaten feststellt, korrigiert und eine fortgesetzte Durchführung von Abstandsmessungen zu vor dem Fahrzeug befindlichen Objekten mittels aktiver Triangulation ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und ein das Verfahren und das System verwendendes Fahrzeug bereitzustellen.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for on-the-go calibration of the headlights, which detects changes in the calibration data, corrects and continuously performs distance measurements to objects in front of the vehicle by means of active triangulation allows. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a corresponding system for carrying out such a method, and a vehicle using the method and the system.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer automatisierten Erkennung einer Scheinwerferfehlstellung bereitgestellt, bei dem ein Fahrzeug im Frontbereich mindestens einen Scheinwerfer und mindestens eine Kamera aufweist, deren Kalibrierdaten bekannt sind, wobei die mindestens eine Kamera Bilder in Form von Pixeln aufnimmt, wobei aus den Kalibrierdaten mittels Epipolargeometrie zu jedem Pixel des Bildes eine Epipolarlinie berechnet wird, wobei der mindestens eine Scheinwerfer mindestens ein charakteristisches Merkmal in ein Fahrzeugvorfeld projiziert, wobei die mindestens eine Kamera in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zwei Bilder des Fahrzeugvorfeldes aufnimmt und an einen Speicher weiterleitet, wobei eine Bildverarbeitungssoftware in dem ersten Bild der Kamera nach mindestens einem charakteristischen Merkmal sucht, wobei ein jeweiliges dem mindestens einen charakteristischen Merkmal zugeordnetes Pixel identifiziert wird, wobei die Bildverarbeitungssoftware in dem zweiten Bild nach dem gleichen charakteristischen Merkmal sucht und bei Auffindung feststellt, ob es sich auf der Epipolarlinie des jeweiligen zugeordneten Pixels des ersten Bildes befindet, wobei bei einer Abweichung von der Epipolarlinie eine Fehlerfunktion berechnet wird, und wobei bei einem Überschreiten des berechneten Werts der Fehlerfunktion von einem vorbestimmten Wert der Fehlerfunktion eine automatische Scheinwerferkalibrierung ausgelöst wird, welche neue Kalibrierdaten erzeugt.To achieve the object mentioned above, a method is provided for an automated detection of a headlight misalignment, in which a vehicle in the front region has at least one headlight and at least one camera whose calibration data are known, wherein the at least one camera takes pictures in the form of pixels an epipolar line is calculated from the calibration data by means of epipolar geometry for each pixel of the image, the at least one headlight projecting at least one characteristic feature into a vehicle apron, wherein the at least one camera takes two images of the vehicle apron at a predetermined time interval and forwards them to a memory, wherein image processing software in the first image of the camera searches for at least one characteristic feature identifying a respective pixel associated with the at least one characteristic feature, wherein the image processing means oftware in the second image searches for the same characteristic feature and determines on discovery whether it is on the epipolar line of the respective associated pixel of the first image, wherein a deviation from the epipolar line an error function is calculated, and wherein when exceeding the calculated Value of the error function of a predetermined value of the error function, an automatic headlight calibration is triggered, which generates new calibration data.
Ein Verlauf des gleichen, in mehreren dem aktuellen Bild vorausgegangenen Bildern detektierten Merkmals entlang einer Epipolarlinie ist bei kalibriertem Scheinwerfer und Kamera dann gegeben, wenn sich der Scheinwerfer, bzw. das Fahrzeug auf ein ruhendes Objekt, auf welches das Muster projiziert wird, zubewegt. Eine zu einer Berechnung der Epipolarlinien notwendige Zuordnung von Bildebenen des Scheinwerfers und der Kamera erfolgt mittels einer jeweiligen die äußere Geometrie, also Lage und Orientierung im Raum beschreibenden extrinsischen Matrix R,
Für Berechnungen mittels Epipolargeometrie ist dabei nur eine Kenntnis einer Beziehung von kalibrierten Systemen, hier Scheinwerfer und Kamera, zueinander notwendig. For calculations by means of epipolar geometry, only a knowledge of a relationship of calibrated systems, here the headlight and the camera, is necessary.
Aufgrund dieser Beziehung können die Epipolarlinien bspw. zu jedem Pixel des Bildsensors einer Digital-Kamera berechnet werden.Due to this relationship, the epipolar lines can be calculated, for example, for each pixel of the image sensor of a digital camera.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Muster ein Schachbrettmuster aus hellen und dunklen Flächenelementen gewählt. Andere Muster, die Hell-Dunkel-Übergänge aufweisen, wie bspw. Streifen oder konzentrische Kreise, sind denkbar, sollten aber vorteilhaft in gesamter Ausdehnung des projizierten Musters horizontale wie vertikale Strukturunterschiede aufweisen.In a further embodiment of the method according to the invention, a checkerboard pattern of light and dark surface elements is selected as the pattern. Other patterns that have light-dark transitions, such as stripes or concentric circles, are conceivable, but should advantageously have horizontal and vertical differences in structure throughout the projected pattern.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das charakteristische Merkmal als ein Bildpunkt gewählt, der in Pixeln seiner unmittelbaren Nachbarschaft in einer Reihenfolge von links oben nach rechts oben nach rechts unten nach links unten nach links oben zwei Übergänge von hell nach dunkel aufweist. Insbesondere ist dies bei einem Schachbrettmuster in allen Eckpunkten von denjenigen Flächenelementen der Fall, die sich nicht am Rand des Schachbrettmusters befinden. In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens führen vier in den jeweiligen Ecken eines dunklen, bzw. hellen Flächenelements des Schachbrettmusters detektierte Merkmale zu einer Zuordnung des Zentrums des dunklen, bzw. hellen Flächenelements zu einem Pixel der Kamera und der damit verbundenen Epipolarlinie.In yet another embodiment of the method according to the invention, the characteristic feature is selected as a pixel having two transitions from light to dark in pixels of its immediate vicinity in an order from upper left to upper right to lower right to lower left to upper left. In particular, this is the case for a checkerboard pattern in all vertices of those surface elements that are not on the edge of the checkerboard pattern. In an embodiment of the method according to the invention, four features detected in the respective corners of a dark or bright surface element of the checkerboard pattern lead to an assignment of the center of the dark or bright area element to a pixel of the camera and the epipolar line connected therewith.
Wird in dem aktuellen Bild ein charakteristisches Merkmal detektiert, so wird in den vorausgegangenen Bildern auf der Epipolarlinie des dem Merkmal oder, wie voranstehend erwähnt, einer aus mehreren detektierten Merkmalen abgeleiteten Position zugeordneten Pixels, nach weiteren Vorkommnissen gesucht. Dabei wird eine Fehlentscheidung aufgrund eines erstmaligen Auftretens eines detektierten Merkmals, etwa wenn ein Objekt erstmalig vom Scheinwerfer angestrahlt wird und also das Merkmal nicht in vorausgehenden Bildern vorhanden sein kann, dadurch ausgeschlossen, dass nur in einer vorbestimmten Zahl von Bildern, die zeitlich nach dem erstmaligen Auftreten des Merkmals von der Kamera erstellt wurden, gesucht wird. Eine Statistik der Detektion des mindestens einen charakteristischen Merkmals auf der entsprechend mindestens einen Epipolarlinie in vorausgegangenen Bildern wird mittels einer Fehlerfunktion in einen Wert abgebildet. Unterschreitet dieser Wert der Fehlerfunktion dabei einen vorbestimmten Wert, d.h. einen Schwellwert, was bedeutet, dass das Merkmal auf der Epipolarlinie in vorausgegangenen Bildern zu selten oder gar nicht detektiert wird, so ist von einer von der initialen Kalibrierung abweichenden Scheinwerferorientierung auszugehen.If a characteristic feature is detected in the current image, further occurrences are searched for in the preceding images on the epipolar line of the pixel which is associated with the feature or, as mentioned above, a pixel derived from a plurality of detected features. In this case, a wrong decision due to a first occurrence of a detected feature, such as when an object is first illuminated by the headlamp and thus the feature can not be present in previous images, thereby excluded that only in a predetermined number of images, the temporally when the feature was first created by the camera. A statistic of the detection of the at least one characteristic feature on the corresponding at least one epipolar line in preceding images is mapped into a value by means of an error function. If this value of the error function falls below a predetermined value, ie a threshold value, which means that the feature on the epipolar line is rarely or not detected in previous images, a headlight orientation deviating from the initial calibration must be assumed.
Die Fehlerfunktion kann bspw. gewählt werden als Summe aller auf einer Epipolarlinie detektierten charakteristischen Merkmale, dividiert durch die Gesamtzahl aller detektierten charakteristischen Merkmale.The error function can be selected, for example, as the sum of all characteristic features detected on an epipolar line, divided by the total number of all detected characteristic features.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der vorgegebene zeitliche Abstand zwischen dem ersten und zweiten Bild der mindestens einen Kamera als ein zeitlicher Abstand von zwei unmittelbar hintereinander von der mindestens einen Kamera angefertigten bzw. aufgenommenen Bildern gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird also für jeden sogenannten Kameraframe ausgeführt.In a further embodiment of the method according to the invention, the predetermined time interval between the first and second image of the at least one camera is selected as a time interval of two images produced or recorded directly after one another by the at least one camera. The inventive method is thus carried out for each so-called camera frame.
Hat der Wert der Fehlerfunktion einen vorbestimmten Wert überschritten und ist also von fehlerbehafteten Kalibrierdaten auszugehen, wird eine automatische Scheinwerferkalibrierung initiiert. Dabei wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Epipolarlinie zu jedem Pixel aus den neuen Kalibrierdaten berechnet.If the value of the error function has exceeded a predetermined value, and so erroneous calibration data are assumed, automatic headlight calibration is initiated. In this case, in a further embodiment of the method according to the invention, the epipolar line is calculated for each pixel from the new calibration data.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die modifizierten Kalibrierdaten einer Abstandsmessung durch aktive Triangulation zu Verfügung gestellt.In yet another embodiment of the method according to the invention, the modified calibration data are made available to a distance measurement by active triangulation.
Denkbar wäre es auch als Fehlerfunktion bspw. einen Kehrwert der oben beispielhaft genannten Fehlerfunktion zu wählen, wobei dann ein Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwerts auf eine von der initialen Kalibrierung abweichende Scheinwerferorientierung schließen lässt. Jede andere geeignete Fehlerfunktion mit entsprechend geeignet gewähltem Schwellwert ist denkbar.It would also be conceivable as an error function, for example, to select a reciprocal of the error function mentioned above by way of example, in which case an exceeding of a predetermined threshold value would suggest a headlight orientation deviating from the initial calibration. Any other suitable error function with a suitably selected threshold value is conceivable.
Ferner wird ein System zu einer automatisierten Erkennung einer Scheinwerferfehlstellung beansprucht, das mindestens einen Scheinwerfer, mindestens eine Kamera, eine Recheneinheit mit einer Speichereinheit und eine Bildverarbeitungssoftware aufweist und dazu konfiguriert ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.Furthermore, a system for automated recognition of a headlight misalignment is claimed which has at least one headlight, at least one camera, a computing unit with a memory unit and image processing software and is configured to carry out the method according to the invention.
Schließlich wird ein mit dem erfindungsgemäßen System ausgestattetes Fahrzeug beansprucht, welches das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.Finally, a vehicle equipped with the system according to the invention is claimed, which carries out the method according to the invention.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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1 zeigt in schematischer Darstellung Bilder eines sich einer Mauer nähernden Scheinwerfer-Kamera-Systems, wobei der Scheinwerfer einen Lichtpunkt auf die Mauer projiziert, gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Bild aus einer Kamera mit einem in ein Fahrzeugvorfeld projizierten Schachbrettmuster und detektierten charakteristischen Merkmalen gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
3 zeigt in schematischer Darstellung ein Bild aus einer Kamera mit einem in ein Fahrzeugvorfeld projizierten Schachbrettmuster mit einer Suche nach einem charakteristischen Merkmal entlang einer dejustierten Epipolarlinie gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
4 zeigt in schematischer Darstellung ein Bild aus einer Kamera mit einem in ein Fahrzeugvorfeld projizierten Schachbrettmuster mit einer Suche nach einem charakteristischen Merkmal entlang einer mit neuen Kalibrierdaten berechneten Epipolarlinie gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 shows a schematic representation of images of a wall approaching headlight camera system, the headlight projecting a point of light on the wall, according to an embodiment of the method according to the invention. -
2 shows a schematic representation of an image from a camera with a projected into a vehicle apron checkerboard pattern and detected characteristics in accordance with an embodiment of the method according to the invention. -
3 shows a schematic representation of an image from a camera with a projected into a vehicle apron checkerboard pattern with a search for a characteristic feature along a misaligned epipolar line according to an embodiment of the method according to the invention. -
4 shows a schematic representation of an image from a camera with a projected into a vehicle apron checkerboard pattern with a search for a characteristic feature along a calculated with new calibration data epipolar line according to an embodiment of the method according to the invention.
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