ES2345598A1 - Escaner biometrico tridimensional. - Google Patents

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Abstract

Escáner biométrico tridimensional (1) para el mapa capilar de la palma de la mano (2) comprende dos sensores de imagen (5, 6) configurados para obtener una visión estereoscópica de un mapa vascular y donde, por cada imagen, correspondiente a cada longitud de onda, se conocen para dicho plano la profundidad de cada punto. Conjuntando las N imágenes correspondientes a las N longitudes de onda de emisión, se consigue un mapa 3D de las venas de la palma de la mano. Para conseguir una imagen estereoscópica es necesaria una distancia fija (d) entre los sensores de imagen (5, 6) para poder calcular la componente Z de profundidad del elemento biométrico de reconocimiento.

Description

Escáner biométrico tridimensional.
La presente invención está referida a un escáner biométrico tridimensional y a su método de operación, en donde se permite obtener la estructura de venas de forma tridimensional mediante imágenes estereoscópicas de cualquiera de los dedos de la mano, de la palma de la mano o de la muñeca, de tal forma que se consiga asegurar que el usuario es un ser vivo e identificarlo.
Su uso está indicado en el control de accesos, la seguridad de los medios de pago, el control de tiempo de presencia de empleados y, en general, en todo aquel campo que requiera una identificación biométrica de personas.
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Antecedentes de la invención
Son conocidos los escáneres biométricos que se basan en la adquisición de un patrón de venas (el elemento biométrico) de un receptor biométrico (palma de la mano, alguno de los dedos o la muñeca de la persona), utilizando como elementos fundamentales los emisores de radiación en el infrarrojo cercano, como los diodos emisores de luz con longitud de onda de emisión perteneciente al infrarrojo cercano del espectro electromagnético), elementos receptores de radiación cercana al infrarrojo que permiten detectar dicha radiación u obtener la imagen correspondiente al mapa vascular de dicho receptor biométrico, también con bandas de absorción centradas en el infrarrojo cercano, y el receptor biológico y biométrico (palma, dedo o muñeca) que interacciona con la radiación infrarroja emitida por la fuente emisora de luz. Así pues, la radiación infrarroja cercana emitida por las fuentes de luz es, en parte, reflejada y esparcida por el receptor biométrico y, en parte, absorbida por la hemoglobina. Esta radiación, reflejada y esparcida, porta la información del mapa vascular en 2D correspondiente a la estructura de venas del receptor biológico del usuario y es detectada, a su vez, por un sistema de detección con una banda de absorción similar a la de la fuente emisora de luz, permitiendo obtener una imagen de dicho patrón de venas.
Ejemplo de ello encontramos en el documento US20070098223 que describe un escáner para la identificación biométrica basada en la lectura del patrón de venas de la palma de la mano utilizando la radiación cercana al infrarrojo. Otro documento es el US6813010 que muestra como innovación un detector de proximidad del dedo para optimizar la intensidad de la luz que llega al dedo, de tal forma que se obtenga un patrón de venas más claro. Otro caso es el mostrado en US20070116330 donde además del identificador de venas, permite adicionalmente detectar la presencia de tejido vivo mediante el patrón captado de la rugosidad de las capas internas de la piel que están recubiertas de tejido epidérmico.
En ninguno de los casos anteriormente mencionados se describen dispositivos y/o métodos que permitan establecer un mapa tridimensional del patrón de venas.
El uso de la radiación infrarroja cercana como mecanismo de identificación personal para la detección del mapa de capilares sanguíneos de la palma de la mano, dedo o muñeca es una característica general de la biometría basada en la interacción espectroscópica de la radiación electromagnética con la epidermis de la mano, dedo o muñeca y que permite reconocer al usuario en cuestión a través de dicho elemento biométrico. La obtención del mapa de venas 3D mediante este mecanismo se trata de una propiedad global que permite una información mucho mayor que la de 2D, ya que se refiere a la disposición también en profundidad de las venas del elemento biométrico en cuestión, que es a su vez un dato biométrico.
Actualmente son contados los sistemas presentes en el mercado que fabriquen sensores similares a los anteriormente descritos de lectura bidimensional de los mapas capilares de los elementos biométricos correspondientes, ya que los problemas planteados son muy serios. Entre los mismos es posible citar el coste elevado, que lo hace inviable en determinados entornos (control de accesos, por ejemplo), una posibilidad de que el patrón de venas 2D sea falsificado y una integración muy difícil con microcontroladores de alta gama.
Hay sistemas que solucionan estos problemas y captan mapas tridimensionales de los capilares sanguíneos, son también muy pocos los que se presentan en el mercado y ninguno de ellos se utilizan como identificadores biométricos, sino en general, con fines médicos, donde el coste y el tamaño tienen una importancia relativa. Así tenemos el documento US2001/027273 que describe un aparato para detectar la reflexión de radiación electromagnética incidente en un tejido biológico que permite visualizar los vasos sanguíneos y que consta de dos cámaras que permiten una visión estereoscópica, en un sentido estricto, aunque, como ha sido comentado, su empleo con fines médicos hace que criterios como el coste y el tamaño sean secundarios.
En el estado de la técnica, fuera del campo médico, se describe un método y sistema para adquirir y procesar datos biométricos como el US2005/271258 que se refiere a métodos y sistemas de toma de imágenes biométricas multiespectrales. No obstante, en este caso, el principal problema radica en el alto coste y la escasa información sobre la profundidad de los patrones de venas, ya que no emplea una visión estereoscópica en sentido estricto, sino diferentes imágenes de iluminación recogidas con una misma cámara que se sitúa de forma fija y no dos separadas a la distancia característica necesaria para obtener una imagen tridimensional.
Como es conocido, las tasas de error en la identificación de personas son desfavorables en comparación con otros sistemas biométricos, como los basados en el examen del iris. Las mejoras que se han ido sucediendo en los sensores biométricos que obtienen un mapa de venas se han conseguido básicamente por una sofistificación creciente de los algoritmos de reconocimiento de patrones, sin una mejora paralela en la concepción física de los propios sensores del sistema biométrico. Pero, tal vez, el problema mayor de los sensores de venas utilizados hasta el presente reside en que pueden ser "engañados", haciendo pasar patrones falsos al sistema, sin presencia del usuario.
En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un escáner biométrico óptico estereoscópico con una elevada Habilidad en la identificación de personas que emplee un procedimiento de operación único basado en la detección de los niveles de profundidad de los distintos planos monocromáticos de iluminación para cada longitud de onda usada.
Es otro objeto de la presente invención el disponer de un escáner biométrico óptico estereoscópico que no pueda ser engañado por el suministro al sistema de patrones de venas reproducidos en soportes no vivos.
Finalmente, la presente invención tiene por objeto el disponer de un escáner biométrico óptico estereoscópico compacto y de bajo coste, utilizable en sensores biométricos de capilares sanguíneos, como son los de la palma de la mano, de la muñeca o del dedo del usuario en cuestión, tanto de reflexión (palma de la mano y muñeca) como de transmisión (dedo y muñeca).
Descripción de la invención
Para solucionar los problemas encontrados en el actual estado de la técnica se ha desarrollado un escáner biométrico que incrementa considerablemente la cantidad de información a procesar, y con ello, la fiabilidad en la identificación, mediante la obtención de una pluralidad de mapas vasculares bidimensionales de un receptor biométrico, como la palma de la mano, la muñeca o los dedos, de distinta profundidad y un mismo sujeto, formando una imagen tridimensional a partir de la conjunción de dichos planos, gracias a unos medios aptos para ello.
El fundamento de la presente invención reside en el hecho de que las venas del receptor biométrico están situadas en el espacio dentro del tejido, con una distribución y ramificación 3D característica dentro del mismo. Como la distancia de penetración de la radiación electromagnética en el cuerpo humano depende de la longitud de onda de la radiación incidente, se emplean fuentes emisoras de la luz de distintas longitudes de onda centradas en el IR cercano para poder obtener la profundidad de los distintos planos de imagen en función del tipo de espectro de emisión de la fuente. La profundidad de los píxeles de cada plano de imagen, se obtienen por medio de técnicas estereoscópicas de visión, mediante dos cámaras posicionadas a la misma altura y con una distancia fija entre ellas. El resultado final es la imagen de un mapa tridimensional, en los medios configurados para la reconstrucción tridimensional de la imagen, del mapa vascular del receptor biológico, juntando los distintos planos de imagen (cada uno con su profundidad característica) que se han obtenido para cada longitud de onda usada.
Gracias al dispositivo así descrito se alcanzan simultáneamente los objetivos propuestos en cuanto a la mejora de la fiabilidad en la identificación y la detección de vida para una persona concreta.
En cuanto al objetivo referido a la obtención de un dispositivo compacto y de bajo coste, éste se alcanza empleando unos elementos emisores (fuentes de luz) basados en LED o láseres semiconductores de baja potencia, fotodiodos como receptores y cámaras CCD o sensores CMOS con espectro de absorción centrado en el IR cercano. Todos estos elementos son fácilmente adquiribles a un coste relativamente bajo.
El funcionamiento del escáner biométrico tridimensional es el siguiente: Debido a que los mapas de venas obtenidos con una cámara tipo CCD o CMOS con un espectro de absorción centrado en el IR cercano son imágenes planas bidimensionales y tienen un riesgo, aunque no elevado, de poder ser falsificados, se situarán dos cámaras con una alta eficiencia de absorción en el IR cercano que permitan obtener dichos mapas de venas en 3D, mediante la reconstrucción de los planos de imágenes obtenidos para cada longitud de onda usada. Estas cámaras reciben la radiación IR cercana, emitida por las fuentes de luz (LED o láseres de baja potencia) que es reflejada o transmitida por el receptor biológico y están separadas a una distancia fija. Cada plano de imagen recibido depende de la longitud de onda empleada en la emisión para cada conjunto de LED y tiene una profundidad determinada. Esta profundidad se puede conocer a partir de esta distancia, de tal forma que, si se hace coincidir el sistema de coordenadas global con el sistema de coordenadas de la cámara, el plano XY de la imagen está alineado con el plano XY del sistema de coordenadas global, por lo que la coordenada Z de un punto tridimensional es igual para ambos sistemas de coordenadas. Es precisamente esta coordenada Z la de interés para cada plano de imagen obtenido para cada longitud de onda de emisión de las fuentes de luz. En este cálculo es necesario conocer también la distancia de la línea base y la distancia focal. La corrección de la aberración mediante una matriz de retro-proyección (calibración de las cámaras) es necesaria para no cometer errores en el cálculo de la profundidad.
Dependiendo de si se quiere obtener información biométrica estereoscópica de un dedo, de la muñeca o de la palma de la mano del usuario, ambas cámaras reciben una radiación IR cercana emitida por las fuentes de luz que se transmite a través del dedo, o que se refleja en la palma de la mano o de la muñeca del usuario. Por tanto, su posición depende de si el sensor de imagen (la cámara) es de reflexión o de transmisión, aunque la distancia entre ellas ha de mantenerse constante.
Así pues, en el caso del sensor biométrico de reflexión de la palma de la mano, las dos cámaras han de situarse justo debajo del mismo, al mismo nivel de las fuentes de luz. No obstante, para el sensor biométrico de transmisión del dedo de la mano del usuario, las dos cámaras han de colocarse opuestas a las fuentes de luz, con el receptor biométrico entre dichas fuentes y cámaras. Por último, en el caso del sensor biométrico de reflexión de la muñeca, las dos cámaras han de colocarse a la misma altura que las fuentes de luz. La imagen 3D se reconstruye a partir de los planos con diferentes profundidades obtenidos.
En el caso de las fuentes de emisión de radiación láser, debido a que la longitud de emisión tiene un pico muy estrecho, la profundidad de cada uno de los planos imagen es prácticamente la misma para los píxeles de cada plano. En este caso, es necesario emplear un difusor de radiación para que la iluminación del elemento biométrico sea homogénea y no spots de luz. Sin embargo, si las fuentes de emisión de radiación son LED, ya no hay un pico de emisión sino una banda de emisión, por lo que para cada plano imagen, los píxeles tienen distinta profundidad. Cada grupo de fuentes de radiación de longitud de onda determinada emite de forma estroboscópica, con un periodo de emisión. En la fase de reconstrucción de la imagen tridimensional, se conjuntan los píxeles de cada uno de los planos con la misma profundidad, formando una visión estereoscópica del mapa capilar sanguíneo.
El dispositivo así descrito soluciona los problemas técnicos planteados en el estado de la técnica. El mapa de venas se encuentra oculto y es propio de cada usuario. Sólo es posible su falsificación por robo o hurto del dispositivo. El hecho de obtener una coordenada Z que indica la profundidad a al que se encuentran los capilares sanguíneos eleva la seguridad de los sensores de venas a un alto nivel, muy difícil de poder ser falseado por cualquier "hacker". Cuantas más longitudes de onda se empleen en la iluminación, de mayor información tridimensional dispondremos.
Breve descripción de las figuras
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
Fig. 1 muestra una vista esquematizada del escáner biométrico tridimensional objeto de la presente invención, aplicado sobre la palma de la mano, incluyendo una imagen ampliada de la placa de iluminación donde se sitúan las cámaras.
Fig. 2 muestra una vista esquematizada del escáner biométrico tridimensional objeto de la presente invención, aplicado sobre un solo dedo.
Fig. 3 muestra una vista esquematizada del escáner biométrico tridimensional objeto de la presente invención, aplicado sobre la muñeca de la mano.
Fig. 4 muestra gráficamente la obtención de la imagen estereoscópica para conformar el mapa de venas, objetivo principal del escáner de la presente invención.
Realización preferente de la invención
Como puede apreciarse en la figura 1, el escáner biométrico tridimensional (1) para el mapa capilar de la palma de la mano (2) comprende dos sensores de imagen (5,6) configurados para obtener una visión estereoscópica de un mapa vascular y donde, por cada imagen, correspondiente a cada longitud de onda, se conocen para dicho plano la profundidad de cada punto. Conjuntando las N imágenes correspondientes a las N longitudes de onda de emisión, se consigue un mapa 3D de las venas de la palma de la mano. Para conseguir una imagen estereoscópica es necesaria una distancia fija (d) entre los sensores de imagen (5,6) para poder calcular la componente Z de profundidad del elemento biométrico de reconocimiento.
Los sensores de imagen (5,6) se encuentran integrados en una placa de iluminación (3) que comprende una pluralidad de medios emisores de radiación en el IR cercano (7) para poder así extraer el patrón de venas por reflexión de dicha radiación en el elemento biométrico característico. En el caso que fuesen LED, el patrón de iluminación homogéneo en el elemento biométrico es más sencillo de corregir, ya que el haz cuasi-cromático tiene una apertura angular comprendida entre 20º y 80º, mucho mayor que en el caso de los láseres. En esta situación, la profundidad de los píxeles de cada imagen cuasi-monocromática varía (z_{i}\pm\Deltaz_{i}) debido a la banda de emisión que presentan los LED (\lambda_{i}\pm\Delta\lambda_{i}) respecto a la línea monocromática de los láseres. En el caso de emplear estos últimos, se necesitan difusores que abran el haz para corregir la iluminación homogénea y los patrones de imagen monocromáticos que tienen píxeles con una profundidad parecida (\lambda_{i}z_{i}).
En la figura 2 se muestra la presente invención para el caso en que la medición sea sobre el dedo (8). De nuevo son necesarios dos sensores de imagen (9,10) colocados a una distancia fija entre ellos para poder obtener una imagen 3D del mapa capilar del dedo (8). En este caso, la radiación infrarroja cercana emitida por LED (o láseres en su caso) (12) con banda de emisión centrada en el IR cercano es detectada por estos sensores de imagen (9,10) que tienen una banda de absorción que influye a la de emisión de las fuentes de luz (12). Estas fuentes pueden utilizarse igualmente como detectores de presencia y/o vida, en función del patrón de reflexión y transmisión de la radiación IR cercana que interacciona con el dedo (8) y que a su vez es detectada por los fotorreceptores (120) que se posicionan junto a ellas. La radiación IR cercana es absorbida por la hemoglobina de la sangre y transmitida a través del dedo (8), de tal forma que se obtiene una imagen 3D del mapa capilar del mismo por medio de los dos sensores de imagen (9,10) a partir de la composición de las distintas imágenes obtenidas para cada longitud de onda de emisión de los grupos de fuente de luz (12).
En la figura 3 se muestra una vista del escáner objeto de la invención en una realización para la lectura del mapa capilar (17) de la muñeca (13) del usuario. Una matriz de fuentes de luz (14) que pueden ser LED o láseres de baja potencia; emite radiación en el IR cercano e interacciona con el elemento biométrico (13), en este caso la muñeca, reflejándose o transmitiéndose a través de ella. Junto a esta matriz de fuentes de luz (14), y a una distancia fija, se posicionan dos sensores de imagen (15,16) que absorben la radiación IR y que permite componer el mapa capilar (17) tridimensional de la muñeca (13) mediante los medios de comparación de imágenes.
Para las tres realizaciones mencionadas, tal y como se puede observar en la figura 4, la imagen estereoscópica implica la obtención de dos imágenes separadas del mismo objeto (20,21) correspondiente con un único punto w (23) del espacio tridimensional. La distancia (d) entre los centros de las dos lentes (22) es la llamada línea base y ha de ser constante. Se han de hallar las coordenadas (X, Y, Z) del punto w (23) que tiene las coordenadas (x_{1}, y_{1}) y (x_{2}, y_{2}) en las dos imágenes (20,21). En esta figura se supone que los sensores de imagen son idénticos y que sus respectivos sistemas de coordenadas difieren exclusivamente en la posición de sus orígenes. La coordenada Z de w es la misma para los sistemas de coordenadas de ambas cámaras y es el parámetro a determinar en cada píxel de la imagen del mapa de venas. Queda determinado por la ecuación [1]:
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siendo f el centro de la lente con el centro del plano de la imagen en el origen.
El mecanismo de interacción de la radiación electromagnética con el tejido epitelial humano está basado en la profundidad de penetración de dicha radiación varía según la Ley de Lambert, definida en la ecuación [2]:
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donde la intensidad l_{0} y \lambda es la longitud de onda de la radiación incidente, C_{HB}(\lambda) y S_{HB}(\lambda) es el coeficiente de absorción de la longitud de onda dependiendo de cada derivado de Hb (o componentes biológicos del material con el que la radiación electromagnética interacciona), Z describe la profundidad de penetración. Por tanto, esta profundidad de penetración muestra una variación logarítmica con el cociente de intensidades de entrada y salida, siendo directamente proporcional a la longitud de onda de la radiación de interacción. Así, para cada grupo de fuentes de radiación de la misma longitud de onda de emisión (\lambda_{i}), la profundidad de penetración (z_{i}) es parecida para todos los puntos de la mano (depende de la banda de emisión) y es reflejada portando la información del patrón de venas existente hasta donde ha penetrado. Esta profundidad de penetración ha sido calculada mediante el algoritmo de visión ya comentado, gracias a las dos cámaras que permiten la visión estereoscópica. Utilizando los otros grupos de longitudes de onda, se consiguen otras imágenes con distinta profundidad, que se componen en los medios a tal efecto, formando la imagen 3D del patrón de venas requerido.
El usuario coloca el elemento biométrico en cuestión sobre el sensor biométrico. En esta situación, las fuentes de luz comienzan a emitir radiación electromagnética de forma estroboscópica y secuencial, primero un grupo con una longitud de onda determinada y luego otros con otras distintas. Para cada grupo de fuentes de emisión, las dos cámaras posicionadas a modo de ojos humanos para conseguir la visión esteroscópica, capturan el mapa correspondiente a la radiación de interacción (reflexión o transmisión, junto con esparcimiento). Una unidad de procesamiento extrae el mapa de venas y la profundidad de las mismas, etiquetándolas con su correspondiente longitud de onda de emisión. El proceso se repite tantas veces como longitudes de onda de emisión haya en el sistema de iluminación. Ya etiquetados, los mapas de venas se conjuntan en función de la profundidad de cada una de las venas extraídas de los distintos mapas, obteniendo así un mapa capilar tridimensional. Atendiendo al proceso de identificación, generalmente se intenta que sea rápido y siempre seguro, por lo que el número aleatorio de longitudes de onda de emisión son las que funcionan y no todas, por tanto, el proceso de comparación se realiza sólo con esos mapas de venas etiquetados.
En el caso de fuentes de radiación de distintas longitudes de onda, cuasi-monocromáticas (LED), es posible emplear radiación UV-A de emisión sin encarecer excesivamente el sistema biométrico. De esta forma se estudian propiedades biológicas del tejido epitelial humano, basta con que el sistema de recepción de imagen (CCD o sensor CMOS) sea sensible al UV-A del espectro electromagnético. El procedimiento es similar al descrito en el párrafo anterior, salvo que las longitudes de onda que se emplean son más bajas que las anteriores (300-400 nm) y cuantas más se usen, más información biológica (reflexión, absorción, transmisión del tejido humano y de los componentes sanguíneos) en función de la profundidad de penetración son obtenidos.
Por lo general, los sensores biométricos presentan también elementos de seguridad adicionales. Por ejemplo, como opción alternativa a los filtros ópticos de infrarrojo cercano y como medida a tomar de menor coste se pueden utilizar dos láminas polarizantes lineales cruzadas en el rango visible (o en el IR cercano, aunque el sistema se encarece), y que se sitúan, al igual que los filtros ópticos, sobre el objetivo de la cámara. Si además los polarizadores se colocan sobre las fuentes de luz, con los ejes de polarización cruzados al de los anteriores, el receptor sólo capta la radiación que reflejada o transmitida, ha variado su estado de polarización inicial al interaccionar con el elemento biométrico. Otra opción es utilizar pulsioxímetros, basados en medir el tiempo y amplitud en que la intensidad de la luz pasa a través del tejido fino como, por ejemplo, a través de la extremidad del dedo, utilizando longitudes de onda roja (630 nm) e IR cercana (940 nm) y la ley de Bert-Lambert ya comentada. Previamente, el proceso de control de la iluminación para la posterior captura de los mapas de venas de la palma de la mano del usuario, el pulsioxímetro detecta la concentración de oxígeno saturado en sangre y el ritmo del pulso sanguíneo. Si los valores detectados se encuentran fuera del umbral característico humano, el sensor no procederá a capturar los mapas de venas del receptor biométrico en cuestión e indicará al usuario que sitúe la mano correctamente sobre el sensor. También, como medida de seguridad, se pueden medir las propiedades eléctricas, como la impedancia y la capacitancia del tejido de la mano mediante electrodos, con una corriente alterna de 800 \muA y 50 kHz.

Claims (4)

1. Escáner biométrico tridimensional del tipo de los que obtienen el mapa vascular de la palma de la mano, muñeca o dedos del usuario caracterizado porque comprende
una pluralidad de fuentes de luz que se encuentran dentro de la banda de absorción del infrarrojo cercano; y
al menos dos sensores de imagen sensibles a dicha banda de infrarrojo cercano, con una distancia fija entre ellas y situadas a la misma altura;
en donde, en función de cada longitud de onda de emisión se obtiene una imagen etiquetada y registrada en un elemento de procesamiento para una profundidad determinada; y en donde dicho elemento de procesamiento, a su vez, comprende medios de reconstrucción tridimensional de un mapa, dichos medios estando configurados para reconstruir tridimensionalmente las distintas imágenes obtenidas mediante la conjunción de unos puntos de éstas imágenes con una profundidad determinada, para cada longitud de onda de emisión.
2. Escáner según reivindicación 1 en donde los sensores de imágenes son sensibles al UV-A del espectro electromagnético de tal forma que se obtengan las propiedades ópticas tisulares y de las componentes de la sangre.
3. Escáner según reivindicación 1 y 2 en donde comprende elementos de seguridad adicionales (4) ante un posible fraude, en donde dichos elementos son al menos uno seleccionado entre:
un detector de pulso sanguíneo y concentración de la saturación de oxígeno en sangre; medidores de bioimpedancia; sensores de temperatura; y polarizadores lineales visibles e IR cercanos posicionados con los ejes de polarización cruzados sobre las fuentes de luz y los objetivos de los sensores de imagen configurados para detectar el cambio en la polarización de la luz que interacciona con el elemento biométrico.
4. Sistema de identificación biométrica caracterizado porque comprende el escáner biométrico de las reivindicaciones 1 a 3.
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