DE3017160A1

DE3017160A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufzeichnung von bilddetails

Info

Publication number: DE3017160A1
Application number: DE19803017160
Authority: DE
Inventors: Marlow Dole Portland Oreg. Butler
Original assignee: PALMGUARD Inc
Current assignee: PALMGUARD Inc
Priority date: 1980-04-29
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1981-11-12
Also published as: DE3017160C2; GB2075235A; GB2075235B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Aufzeichnung von Bilddetails

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Bilderkennung und insbesondere darauf, herausragende cKarakteristische Merkmale eines Bildes zu gewinnen, die sich in einer Auswertschaltung eines Identifikationssystems mit abgespeicherten Merkmalen eines vorgegebenen Bildes vergleichen lassen. Deshalb basiert das System . darauf, charakteristische oder repräsentative Bestandteile oder Details eines Bildes zu erkennen und hinter dem Ausgang einer Kamera in elektrische Signale umzuformen. Für diesen Zweck tastet die Kamera das Objekt ab. Es entsteht zunächst ein Analogsignal, das den Lichtveränderungen beim. Abtasten des Bildes entspricht.

Hierbei ist es Aufgabe der Erfindung, die spezifischen Bildchcirakteristika nicht nur elektrisch auf dem Weg der Signalverarbeitung, die nachstehend noch näher beschrieben werden wird, herauszuarbeiten, sondern bereits vor der Kamera eine Überhöhung oder Steigerung der Spezifika des Bildes zu erzielen. Es soll bereits das frühe Analogsignal besser auf die repräsentativen Bildbestandteile abgestellt sein. Die Anzahl der Hell-Dunkel-Abtastungen oder der Dunkel-Hel !-Abtastungen und die Vielzahl der daraus resultierenden Variationen, die das gewonnene elektrische Signal bereits von Anfang an kompliziert machen und die hinter der Kamera aufwendig' verarbeitet werden müssen, soll auf das tatsächlich Repräsentative begrenzt werden. Die Bildverstärkung und die anschließende elektrische Verarbeitung und auch der elektrische Vergleich auf digitaler Basis vereinfacht ' sich dadurch. LJm so einfacher und zuverlässiger wird dann auch die Bild- oder Bildmustererkennung.

Als Beispiel für ein Bild, dessen repräsentativen Bestandteile

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aufzunehmen sind, kann die Innenfläche einer menschlichen Hand genommen werden. Die Handfläche weist; charakteristische Linien aus nebeneinanderverlaufenden Erhebungen und Vertiefungen auf. Der Erfindung liegt für dieses Beispiel !die Erkenntnis zugrunde, daß eher die Erhebungen als die Vertiefungen als Erkennungsmerkma'l heranzuziehen wären. Es brauchen dann der Kamera nur diese Details des Handlinienmusters dargeboten zu werden.

Die Lösung der Aufgabe ist im wesentlichen in den vorangestellten Ansprüchen genannt. Würde die Innenfläche einer menschlichen Hand mit sichtbarem inkohärentem Licht kurzzeitig oder langer beleuchtet 'werden, dann wäre; es schwer, mit einer Kamera den besonderen Musterveränderungen der Handlinien bei der Abtastung zu folgen. Aus diesem Grunde führt die Beleuchtung der Hand mit sichtbarem Licht keinesfalls bereits vor der Kamera zu dor gewünschten Unterscheidung und d Ie* Bildauswertung ist entsprechend schwierig.

Im vorliegenden Fall wird demgegenüber die Erkenntnis genutzt, daß viele Objekte auf bestimmte WeI lenl innien entweder mit einer Reflexion oder Absorption des Lichtes reagieren. Bei vielen Materialien hat die Lichtrückstrahlung vom Objekt eine andere Wellenlänge als das einfallende Licht und diese Erscheinung ist als Lumineszenz bekannt. Eine Erscheinungsform der Lumineszenz ist die Fluoreszenz, eine Form von Strahlungsenergie, welche entsprechend der Quantentheorie in der Weise auftritt, daß ein einer äußeren Energiequelle ausgesetztes Atom von einem. Zustand in einen anderen übergeht und hierbei ein Energiequanturn an Licht abgibt. Andere Formen der Lumineszenz treten unter der Wirkung von Strahlungabsorption auf und halten zumeist noch für eine bestimmte Zeit nach der Bestrahlung an. Der Begriff "Fluoreszenz" wird allgemein --dafür benutzt, um die Emission von Strahlung zu bezeichnen, die sich fortsetzt solange die Exposition andauert, während mit dem Begriff "Phosphoreszenz" der Zustand bezeichnet wird, daß die Emission von Strahlung noch eine Weile über die Exposition hinaus andauert. Die Trennung zwischen beiden Erscheinungsformen der Lumineszenz wird -bei einer Ab-

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—6 klingzeit von 10 Sekunden gezogen.

Sowohl die Fluoreszenz als auch die Phosphoreszenz können durch eine ultraviolette Strahlungsquelle hervorgerufen werden. Es hängt von der Dauer der Bestrahlung auf eine Substanz ab, wann die Substanz ein Energieniveau erreicht hat, welches eine Zeitdauer lang Lumineszenz erzeugt, bis das Energieniveau auf einen Zustand zurückfällt, von dem aus-'keine sichtbare Strahlung mehr abgegeben wird. Diese Fluoreszenz-Verfalls-Technik wird im Labor als Hilfe zur Bestimmung des Vorhandenseins bestimmter Moleküle in komplexen organischen Substanzen benutzt. Ein Beispiel für die Anwendung der Phosphoreszenz ist die Anwendung als Radar-Erkennung auf Bildschirmen, auf "denen die Flugbahn eines Flugzeuges· als langsam verschwindendes latentes Bild zu erkennen ist. ■-.-_.

Gem^ß der vorliegenden Erfindung wird das aufzunehmende Bild mit einer Strahlung zur Emission angeregt. Nur diese Lumineszenz wird für die Aufnahme durch eine Kamera, verwendet. Dadurch kanr) bereits durch die Aufstrahlung eine erste Selektion von wesentlichen Bildelementen stattfinden. Die Kamera ist eine beliebige Kamera, die optisch cjmpfangen oder ein Ladungsbild empfangen kann und ein den Helligkeitsunterschieden entsprechendes analoges elektrisches Signal abgibt. Dieses Signal kann dann in üblicher Weise verarbeitet werden. Es läßt sich verstärken, digitalisieren und speichern. Der Speicherinhalt kann dann mit einem ebenfalls in digitaler Form vorliegenden Muster auf Überein--Stimmung verglichen werden. Ein derartiges Identifikationssystem ist in der eigenen früheren Anmeldung P 28 31 582.4 beschrieben.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ' wird eine ultraviolette. Strahlung zur Anregung durch Aufstrahlung benutzt. Auf die Kamera gelangt dann nur die Lumineszenzstrahlung im sichtbaren Bereich. Es genügt., wenn die ultraviolette Strahlung nur kurzzeitig als Blitz oder Blitzfolge applizieirt wird. Das Nachleuchten bewirkt, daß dennoch genug Zeit für die Aufnahme durch die Kamera verbleibt. Der Kurzzeitbe-

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bereich kann in der Größenordnung von Manosekunden liegen.

In einer besonderen Ausführungsform !erfolgt die ultraviolette Aufstrahlung auf das Objekt unter ein.;fri Winkel zur Fläche des Objektes. Es ist vorteilhaft einen schragen Winkel zu wählen. Die Neigung kann unter 45 liegen. Trifft die ultraviolette Primärstrahlung unter einem sehr flachen Wrrflkel auf die Fläche auf, und die Fläche ist beispielsweise die I njnenf lache einer menschH-chert Hand, von der die charakteristischen Handlinien aufzunehmen sind, so werden die tiefer liegenden Stellen der Rillen der Handlinien abgeschattet. Nur die I inienfjörmigen Erhebungen werden von der ultravioletten Strahlung getroffen. Deshalb absorbieren auch nur diese Stellen die Strahlung und senden danach phosphoreszierend oder fluoreszierend sichtbares Licht In Richtung auf die Kamera. Auf diese Weise werden die charakteristischen Linien, die aufgenommen werden stollen, hervorgehoben und die benachbarten, unwesentlichen Bildbestandteile werden auf besoncjers einfache; Weise unterdrückt. .;

Mit Filter und Spiegel lassen sich noch-, weitere Verbesserungen
erzielen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung. ■ "

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Es zeigen': · ;

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild und

i
Fig. 2 einen^ Schnitt durch die Oberfläche

eines- Objektes, auf das unter einem
schrägen Winkel Strahlungsenergie auftrifft.

In pig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Identifikationssystenis mit einer Anordnung dargestellt, mit dessen Hilfe -aufzunehmende Bildeinzelheiten vor einer Kamera in ein besonders günstiges

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Aufnahmeverhäl tnis in Bezug auf die auffallende Strahlung gebracht werden können, insbesondere bezieht sich hierbei die Anwendung auf die Bilddarstellung einer Handfläche· der menschlichen Hand. Das Identifikationssystem 10 besteht aus einer Kamera 12, mit deren Hilfe die Bilddetails aufgezeichnet werden. Die Kamera selbst kann eine Videoaufzei.chnungskamera oder ein Bildsensor mit Halbleitern sein, der auf ein Ladungsbild anspricht, beispielsweise, eine Fairchild-Kamera CCD 202. Eine solche Kamera rastert ein Bild und gibt ein analoges elektrisches Signal ab, das den Licht- oder Strahlungsun.terschieden entspricht, die von einem Bild innerhalb jeder horizontalen Abtastung gewonnen werden. An die Kamera schließt sich eine Efrhöhungsschältung 14 an, die aus einer üblichen -Differenzierungsschaltung bestehen kann. Eine solche Schaltung besteht i aus einer Serienkapazität und einem Nebenschlußwiderstand. ,Diese Glieder dienen dazu, eine elektrische Erhöhung oder Steigerung der aufgezeichneten Bilddetails zu besorgen, fall eine solche elektrische Steigerung notwendig ist oder gewünscht wird. Das Analog-Sinnal, entweder elektrisch verstärkt <j>der direkt von der Kamera übernommen, wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 16 quantifiziert, um numerische Digltalqa.ten zu erzeugen, die den verschiedenen, quantifizierten Sp4nnungsänderungen entsprechen. Für diesen Zweck sind mannigfaltige Analog-Digital-Umsetzer bekannt.

Das quantifizierte oder "digitalisierte" Signal wird dann in einem Oildspeicher 20 Zeile für ZeHe so gespeichert wie 'das Bild abgetastet worden ist, so daß ein vollständiges, digitalisiertes "Bild gespeichert werden kann.' Eine solche Speichereinheit umfaßt 10 000 oder mehr adressierbare Speicherelemente.

ί .

Ein Dafenerkennungs-Analysator_ 22 wird anschließend vorgesehen, urrt eine elementenweise Analyse des in der Bildspeichereinheit 2Ö j oespeicherten Bildmusters zu ermöglichen. Der Datenerkennungs -Analysator 22 besteht ,aus einer Anzahl von "Read-öihly-memories" (ROM) mit deren Hilfe spezifische logische Schritte! für eine Änalysierung jedeh Speicherelementes unter

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Programmsteuerung so vorgenommen wenden können, daß die Daten hierbei nicht verändert oder zoristört werden. Dies geschieht, um die herausragenden Bi Iddeitai Is aufzugreifen und sie dann nach ihrer Gewichtung zu ordnen. Die stärker gewichteten Details des Bildes werden dann in einem Datenspeicher 24 abgelegt, der aus jedem beliebigen, für eine dauernde Speicherung geeigneten Speichermedium bestehen kann, beispielsweise aus magnetischen Disketten, Bändern, Kassetten oder Karten. Die Daten lassen sich später auf Befehl zu Identifikationszwecken wiederauffinden.

Der Identitätsvergleich wird von ein#r I denti täts-Testschaltung 26 vorgenommen, die eine frühere iBi Idinformation, so wie sie im Datenspeicher 24 abgelegt ist, mit einer neunufgenommenen Bildinformation, welche in den Bildspeicher 20 einnelesen wurde, vergleicht. Die Identifikations-Testschaltung 26 besteht gleichfalls aus ROM, die zu spezifischen-' logischen Schritten für den Vergleich unter einer Programmsteuerung fähig sind. Zusätzlich kann der Dciten«rkennungs-Analysa;tor 22 aufgerufen werden, um die als hervorragend gewichtejten Details herauszusuchen, die für die Originaldaten-Akquisition abgelegt worden sind. Von der Identif ikations-Testscha Itung 26 wird die Entscheidung getroffen, ob eine wesentlich¹« Übereinstimmung zwischen den gespeicherten Erkennungsdaten und den neuaufggenommenen Mustern vorhanden ist. Dadurch entsteht ein Ausgangssignal, das an eine Auswertschaltung 30 angelegt wird, mit deren Hilfe das neu aufgenommene Bildmuster in der Weise qualifiziert wird, dfiß es angenommen oder zurückgewiesen wird. In Übereinstimmung hiermit besieht die Auswertschaltung 30 aus entsprechenden elektromechanischen Gliedern zur Steuerung von Türöffnern oder_% optischen oder akustischen Anzeigen. ... .

Eine Prozeß- und Steuerschaltung 34 igt vorgesehen, um die Aufnahme und Aufnahmesequenz der Kamera zu steuern und um die einzelnen Schaltungen des ganzen Identifikationssystems 10 aufeinander abzustimmen. Diese Steuerschaltung 34 ist im we-

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sentlichen ein Minicomputer oder ein Mikroprozessor. Sowohl ein Minicomputer als auch ein Mikroprozessor haben sich in Prototypen der vorliegenden Erfindung bewährt und für die praktische Anwendung wird zweckmäßigerweise ein Mikroprozessor vorgesehen werden. Insgesamt besteht das Identifikationssystem 10 aus solchen Elementen, die bereits vollständig in der Patentanmeldung P 28 31 582.4 der Anmelderin beschrieben wurden.

Vor der Kamera findet eine Verstärkung beziehungsweise eine Steigerung durch Selektion verschiedenster Art statt. Diese stützt sich auf die Ausnutzung der fluoreszierenden und phosphoreszierenden Eigenschaften des aufzuzeichnenden Objektes. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Objekt die Handfläche einer menschlfchen Hand. Die Hand wird in eine bestimmte Stellung gebracht, beispielsweise mit Hilfe einer hier nicht dargestellten geeigneten Handrückenauflage. Auf diese Weise wird die Hand für wiederholbare Aufzeichnungen in die richtige Position gebracht, und zwar derart, daß die Handfläche sowohl einer ultravioletten Strahlungsquelle 40 als auch der Kamera 12 ausgesetzt Wird. Vorzugsweise wird die Handfläche so ausgerichtet, daß gegenüber der ultravioletten Strahlungsquelle 40 ein schräger" Winkel entsteht, während die Handfläche zugleich gegenüber der Kamera 12 aus Gründen, die nachstehend noch naher . erläutert werden, einen rechten Winkel einnimmt. Das Identifikationssystem 10 kann durch eine von vielen mögI ichen . Methoden ausgelöst wenden. Beispielsweise können die Daten der zu identifizierenden Person mit einem Identitätscode über eine Tastatur eingegeben werden, oder es kann eine magnetische Identifikationskarte in einen Kartenleser eingesteckt werden. Nach der Auslösung des Identifikationssystems startet die Steuerschaltung 34 ihre vorher festgelegte Identifikationssequenz. Zunächst wird die ultraviolette Strahlungsquelle 40 eingeschaltet, von der ein ultravioletter Blitz oder» eiijie Blitzfolge von Strahlungsenergie ausgeht, und zwar in Richtung)· auf die Handfläche. Während der ultravioletten Anregung oder kurz darauf emittiert die, Handfläche sichtbares Licht für einen kurzen Augenblick, in welchem Bilddetails deutlich werden. Diese beziehen sich vorzugsweise auf die Handlinien, die

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durch die Fluoreszenz und Phosphoreszenz sichtbar werden.

Diese Änderungen der Lichtstärke, die von den höchsten Erhebungen der Handlinien unter Lumineszenz emittiert werden, lassen sich leicht mit den Variationen der Lichtstärke vergleichen, die von den Riefen und benachbarten Bereichen ausgesandt werden. Hierbei ist anzumerken, daß die Li iien selbst praktisch als dunkle Linien gegen die helleren I" enachbarten Bereiche abstechen. Es wird angenommen, daß d.es daher rührt, daß die Haut der Handfläche bei geöffneter Hand gedehnt wird, wodurch die molekulare Dichte der Haut in den Handlinien gegenüber der Dichte der anderen Bereiche geringer wird, was zu der Konsequenz führt, daß entsprechend der hierbei eine Rolle spielenden quantenmechanischen Effekte verhältnismäßig weniger Atome auch weniger Strahlungsenergie absorbieren und dadurch auch weniger sichtbares Licht emittieren. Deshalb ergeheinen Handliniendetails für die Kamera als dunkle Linien.

Die Blitzdauer der ultravioletten Strahlungsquelle 40 beträgt etwa eine Millisekunde. Eine typische Zeit für die Abtastung und Aufnahme durch die Kamera 12 liegt bei zehn Millisekunden.

Optische Filter 42 und 44 können vorgesehen werden. Das Filter 42 |,äßt Licht mit einer Wellenlänge von 350 bis 400 Nanornetern durch, um sicherzustellen, daß lediglich ultraviolette Strahlen die Handfläche erreichen. Das Filter 44 läßt Licht mit einer Wellenlänge von 450 bis 550 Nanometers durch, um sicherzustellen, daß lediglich sichtbares Licht auf die Kamera 12 fällt.

Ein Spiegel 46 kann vorgesehen werden, um eine vollständige und ebene Abdeckung der Handfläche durch Spiegelung zu erzielen, wobei die sonst danebenzielende ultraviolette Strahlung auf die Handfläche während der Blitzperiode zurückgeworfen wird. Selbst unter dieser zurückgeworfenen Strahlung werden die vertieften Teile der Handfläche einschließlich der Handliniendetails abge-

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schattet.

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Sobald die Handflächendetailinformation von der Kamera 12 aufgezeichnet ist, tritt das Identifikationssystem in Tätigkeit, um die gespeicherte Information mit Hilfe der Steuerung, ausgehend von der Steuerschaltung .34 zu verarbeiten, und sobald diese Verfahrensstufe erreicht ist, kann die Hand von der Auflage weggenommen werden.

Aus Fig* 2 geht hervor, daß, sobald Licht auf ein Objekt 50 mit Erhebungen 52 und Vertiefungen 54 unter einem schrägen Winkel auftrifft, die Vertiefungen 54 nichts von dem einfallenden Licht empfangen, da sie in dieser Stellung abgeschattet sind. Deshalb wire} das Licht bevorzugt von den Erhebungen 52 reflektiert. Aus diesem Grunde wird_: die Handfläche vorzugsweise so zu der ultravioletten Strahlung von der Blitzstrahlenquelle 40 orientiert, daß die Oberfläche der Innenhand unter einem schrägen Winkel getroffen wird. Dies stellt sicher, daß die Handliniendetails weniger Strahlungsenergie absorbieren und daß die Bilddetails der Handfläche dadurch hervorgehoben werden.

Mit der vorstehenden Beschreibung ist lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel abgehandelt worden. Es liegt auf der Hand, daß das Prinzip der Erfindung abgewandelt werden kann,·ohne daß dadurch der weitergehende Gedanke der Erfindung verlassen wird. : . ■ '

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Aufnahme von Bilddetails eines zu. identifizierenden Objektes,

dadurch rjekennzeichnet, daß das

Objekt einer Strahlung ausgesetzt wird, die vom Objekt absorbiert und zumindest von Teilbereichen, die für die Oberflächenstruktur hervorstechend charakteristisch sind, im sichtbaren Bereich emittiert wird und daß das Objekt für eine Aufzeichnung der Bilddetails optisch abgetastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Objekt abgegebene Strahlung im ultravioletten Bereich liegt und daß das emittierte Licht im sichtbaren Bereich durch Fluoreszenz und Phosphoreszenz entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

Strahlung |m Winkel auf das Objekt gerichtet wird.

daß die

h. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kenn ze

ichnet

daß die

Bestrahlung des Objektes etwa eine Millisekunde andauert.

5. Vorrichtung zur Aufzeichnung von Bilddetails eines zu identifizierenden Objektes,
dadurch gekennzeichnet, daß auf das

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Objekt (50) eine Strahlung gerichtet ist, die vom Objekt absorbierbar ist und zumindest von Teilbereichen", die für die Oberflächenstruktur des Objektes hervorstechend charakteristisch sind, in Richtung auf eine optische Aufzeichnungseinrichtung (12) für die Abtastung der Bilddetails des Objektes emittierbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, .

d a d u r c h g e k e η η ζ e ich η e t , daß die auf das Objekt gerichtete Strahlenquelle (40) ultraviolette Strahlen aussendet, welche vom Objekt sichtbares Licht in Form von Fluoreszenz und Phosphoreszenz auslösen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, -

d a d u r c h g e k e η η ζ e lehnet, daß im

Strahlengang der ultravioletten Strahlung zwischen Strahlenquelle (40) und dem zu identifizierenden Objekt ein erstes Filter (42) mit einer Durchlässigkeit zwischen 350 bis 400 Nanometern und zwischen dem zu identifizierenden Objekt und der optischen Abtast- und Aufzeichnungseinrichtung (10,12) ein zweites Filter (44) mit einer Durchlässigkeit zwischen 450 bis 500 Nanometern angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6,

da d u rc h g e ken ή ζ e Tc h η e t, daß in

unmittelbarer Nachbarschaft des zu identifizierenden Objektes ein Spiegel (46) zur Reflexion der ultravioletten Strahlung auf das Objekt anqeordnet ist.

9. Vörr·chtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die

ultraviolette Strahlenquelle (4.0) derart im Winkel zu dem zu identifizierenden Objekt (50) angeordnet ist, daß bestimmte Bereiche (54) des Objektes (50) gegenüber der Strahlungsenergie abgeschaltet sind.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß

Steuereinrichtungen (10, 34) mit der ultravioletten Strahlungsquelle (40) und optische Abtast- und Aufzei«. hnungsvorrichtungen (12) sowohl mit einer Speicherung (20) und einer Identifikation (22,2ß) als auch mit der Steuerschaltung (3A) verbunden sind.

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