JP2008541291A - 超音波を利用した入力装置及び位置認識方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は入力装置に関し、特にユーザが直接描くか、書くことをすぐ認識するようにする入力装置のうち、超音波を利用した入力装置及び位置認識方法に関する。
【解決手段】 本発明による入力装置は、超音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部を含むが、前記入力手段は、入力手段の動きによって超音波信号を発生する超音波発生部と、前記入力手段が向かう方向を測定する第1方向測定部と、前記超音波発生部が超音波信号を発生し、前記第1方向測定部が入力手段の方向を測定するように制御信号を出力する制御部とを含み、前記受信部は、前記超音波発生部から発生された超音波信号を受信する超音波受信部と、前記受信部が向かう方向を測定する第2方向測定部と、前記第1方向測定部と前記第2方向測定部で測定されたそれぞれの方向から前記入力手段と前記受信部の相対的方向ベクトルを算出する方向算出部と、前記超音波受信部から受信された超音波信号で前記入力手段の位置を追跡するために、フェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する信号処理部と、前記信号処理部で追跡された入力手段の位置と、前記方向算出部で算出された入力手段と受信部の相対的方向ベクトルで最終的な入力手段の位置を追跡する位置追跡部と、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
本発明は入力装置に関し、特に、ユーザが直接描くか、書くことをすぐ認識するようにする入力装置のうち、超音波を利用した入力装置及び位置認識方法に関する。
特に、入力装置のうち、コンピュータ入力装置について見ると、一般的にコンピュータはキーボードやマウス等の入力装置と、モニターやプリンター等の出力装置と連結され使用されている。又、コンピュータは、以外にも多様な機能を行う多くの周辺装置とも連結されることができる。このような周辺装置を例として挙げると、コンピュータで音を聞けるように音を出力するスピーカーや映画又はマルチメディアデータを保存しているDVDタイトルを駆動することができるDVD−ROMドライブ等がある。
このようにコンピュータ周辺装置は、その目的に合うように多様であるが、入力装置もキーボードやマウスのみならず、ユーザの音声を入力できるマイク、絵や写真をコンピュータに読み込むことができるスキャナー、手で接触すると、その位置を入力受けるようにするタッチスクリーン、実際に鉛筆を使用するように使用が可能なので、CADやグラフィックデザインに多く使われるデジタイザー等多様である。
このようにコンピュータ入力装置が多様な理由は、ユーザの意図通りにデータや情報をコンピュータに正確に入力するためである。例えば、キーボードは、それぞれのキーに文字、数字、又は特殊記号等が割り当てられており、ユーザが該当キーを押すと、割り当てられた文字、数字、又は特殊記号が入力される。
ところが、このようなキーボードを通じてはユーザが曲線形状のような任意形態のデータや情報を入力することが難しく、又、モニター画面上のポイントを所望する位置に容易に移動することも難しいという問題点があった。このような問題点を解決するために、マウスという入力装置が登場したが、このようなマウスも任意形態のデータや情報の入力は可能であるが、精密な入力が難しいので、これを解決することができるデジタイザーのような入力装置が登場した。
一方、このようなデジタイザーと類似なペン形態のコンピュータ入力装置としては、ペンの動きによって超音波を発生して位置を認識する超音波を利用したコンピュータ入力装置があるが、これについて添付図面を参照して説明する。
図1は、従来の超音波を利用したペン形態のコンピュータ入力装置を示す図である。
図1を参照すると、図示されたように、ユーザが超音波センサー30、40が付着された一定サイズのパネル20内で超音波発生手段15を内蔵したペン10を移動させると、ペン10の動きによって超音波発生手段15で超音波が発生され、このように発生された超音波をパネル20の上端両側に付着された左右側超音波センサー30、40が感知して、ペン10の位置を追跡してコンピュータにデータや情報を入力することである。
ところが、このような従来の超音波を利用したペン形態のコンピュータ入力装置は、超音波を発生する超音波発生部がペンの中間部分に位置するので、ユーザの意図とは違うペンの位置がコンピュータに入力される誤差が発生する。又、発生する超音波の波長より小さいペンの動きについては、これを感知することができないという問題点があった。
本発明の目的は、超音波を利用する入力装置に慣性を共に利用して正確な位置認識が可能な超音波を利用した入力装置及び位置認識方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明の実施例による超音波を利用した入力装置は、超音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部とを含むが、前記入力手段は、入力手段の動きによって超音波信号を発生する超音波発生部と、前記超音波発生部が超音波信号を発生するように制御信号を出力する制御部と、を含み、前記受信部は、前記超音波発生部から発生された超音波信号を受信する超音波受信部と、前記超音波受信部から受信された超音波信号で前記入力手段の位置を追跡するために、フェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する信号処理部を含むことを特徴とする。
前述したような本発明の実施例による超音波を利用した入力装置は、フェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で入力手段の位置を追跡することにより、発生された超音波信号の波長より非常に小さい入力手段の動きも感知することができ、ノイズによるエラーも減少させることができる。又、フェイズセンシティブクロスコーリレイションを通じて超音波信号の周波数を低くすることができ、このように低くなった周波数の超音波信号は空気中で損失が少ないという長所を有する。
本発明の更に他の実施例による超音波を利用した入力装置は、超音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部とを含むが、前記入力手段は、入力手段の動きによって超音波信号を発生する超音波発生部と、前記入力手段が向かう方向を測定する第1方向測定部と、前記超音波発生部が超音波信号を発生し、前記第1方向測定部が入力手段の方向を測定するように制御信号を出力する制御部と、を含み、前記受信部は、前記超音波発生部から発生された超音波信号を受信する超音波受信部と、前記受信部が向かう方向を測定する第2方向測定部と、前記第1方向測定部と前記第2方向測定部で測定されたそれぞれの方向から前記入力手段と前記受信部の相対的方向ベクトルを算出する方向算出部と、前記超音波受信部から受信された超音波信号で前記入力手段の位置を追跡するためにフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する信号処理部と、前記信号処理部で追跡された入力手段の位置と、前記方向算出部で算出された入力手段と受信部の相対的方向ベクトルで最終的な入力手段の位置を追跡する位置追跡部と、を含むことを特徴とする。
このように本発明の更に他の実施例によると、超音波を利用した入力装置は、入力手段と受信部の方向まで考慮して入力手段の位置を追跡することにより、発生された超音波信号の波長より非常に小さい入力手段の動きも感知することができ、ノイズによるエラーも減少させることができ、正確な入力手段の位置を追跡することになる。又、フェイズセンシティブクロスコーリレイションを通じて超音波信号の周波数を低くすることができ、このように低くなった周波数の超音波信号は空気中で損失が少ないという長所を有する。
本発明の更に他の実施例による入力装置の位置認識方法は、超音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部とを含む入力装置の位置認識方法において、前記入力手段の動きによって超音波信号を発生する段階と、発生された超音波信号を受信する段階と、前記入力手段の方向と前記受信部の方向をそれぞれ測定して、これから入力手段と受信部の相対的方向ベクトルを算出する段階と、前記超音波受信部から受信された超音波信号で入力手段の位置を追跡するためにフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する段階と、前記信号処理段階で追跡された入力手段の位置と前記算出段階で算出された入力手段と受信部の相対的方向ベクトルで最終的な入力手段の位置を追跡する段階と、を含むことを特徴とする。
このような構成の本発明も超音波を利用した入力装置は、入力手段と受信部の方向まで考慮して入力手段の位置を追跡することにより、発生された超音波信号の波長より非常に小さい入力手段の動きも感知することができ、ノイズによるエラーも減少させることができ、正確な入力手段の位置を追跡することになる。又、フェイズセンシティブクロスコーリレイションを通じて超音波信号の周波数を低くすることができ、このように低くなった周波数の超音波信号は空気中で損失が少ないという長所を有する。
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。本発明を説明することにおいて、関連された公知機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にする可能性があると判断される場合、これについての詳細な説明は省略する。
図2は、本発明の実施例による超音波を利用したコンピュータ入力装置の概略的な構成図を示す図で、入力手段がペン形態であることを仮定して説明する。参考的に手袋形態の入力手段である場合、手全体に手袋をはめる形態でも良く、1つの指又は幾つかにのみ付着して使用するフィンガーマウス形態でも良い。
図2を参照すると、図示されたように、超音波を利用したコンピュータ入力装置は、大きく、超音波信号を発生して位置を入力する入力手段100と前記入力手段100から発生された超音波信号を受信する受信部200を含む。
前記入力手段100は、超音波信号を発生する超音波発生部110と入力手段100が向かう方向を測定する第1方向測定部120を含み、前記受信部200は既存黒板300の一定部分に付着が可能な長い棒形態であって、超音波発生部110から発生された超音波信号を受信する超音波受信部210と受信部200が向かう方向を測定する第2方向測定部220を含む。
一方、図3は、本発明の実施例による超音波を利用したコンピュータ入力装置のブロック構成図を示す図で、図示されたように、前記入力手段100は超音波発生部110と第1方向測定部120と動作ボタン130と機能ボタン140とセンサー部150と制御部160と第1伝送部170を含む。
前記超音波発生部110は、前記入力手段100の位置を追跡するために超音波信号を発生するもので、ユーザが前記動作ボタン130に圧力を加えて押すことにより、超音波信号が発生する。
前記第1方向測定部120は、入力手段100が向かう方向を測定する。このような第1方向測定部120は、前記入力手段100が向かう方向を測定するために3軸加速度計を利用するが、このように測定された入力手段100の方向ベクトルは、後述される第2方向測定部220で測定された受信部200の方向ベクトルと共に前記入力手段100と前記受信部200の相対的方向ベクトルを測定するのに利用される。
前記動作ボタン130は入力手段100を動作させるもので、ユーザの圧力によって押されると、これを前記センサー部150が感知して、前記入力手段100を動作させる。又、前記動作ボタン130は押される圧力の強度によって前記入力手段100から入力される線の太さが変わる。まず、ユーザが前記入力手段100に付着された動作ボタン130を一回押すと、入力手段100が動作を始めて超音波信号が発生され、前記入力手段100の位置がコンピュータに入力される。
そして、ユーザが圧力を加えてもう一度前記動作ボタン130を押すと、これからはコンピュータに入力される線の太さが指定された段階別に太く入力される。このような指定された段階は、圧力の強度によって2段階又は3段階程度で、これと共に前記入力手段100の動作を中止させる段階も含む。
前記機能ボタン140は、1つ又は2つのボタンがあって、既存のマウスの左ボタン又は右ボタンの機能のような特定機能を行うようにしたもので、ユーザが前記機能ボタン140を押すと、これに連結されたセンサー部150によって機能ボタン140が押されたことを感知して、感知結果によって指定された特定機能を行う。ここで利用されるセンサー部150は、圧力センサー又は熱感知センサー等で具現可能である。
前記制御部160は、前記超音波発生部110が超音波信号を発生し、前記第1方向測定部120が前記入力手段100が向かう方向を測定するように制御信号を出力する。
前記第1伝送部170は、前記超音波発生部110から発生された超音波信号を前記入力手段100の外部に伝送し、第1伝送部170を通じて外部に伝送された超音波信号は前記受信部200の超音波受信部210に受信される。
一方、前記受信部200は、前記入力手段100から発生された超音波信号を受信して前記入力手段100の位置を追跡し、追跡された位置をコンピュータに伝送する。
このような受信部200は、超音波受信部210と第2方向測定部220とメモリ225と受信制御部230と信号補正部240と方向算出部250と信号処理部260と位置追跡部265と第2伝送部270を含む。
前記超音波受信部210は、前記超音波発生部110から発生された超音波信号を受信する。このような超音波受信部210は、前記受信部200内に3つ以上を含んでいるので、前記入力手段100の空間的位置を追跡することになる。
前記第2方向測定部220は、受信部200が向かう方向を測定する。このような第2方向測定部220は、前記受信部200が向かう方向を測定するために3軸加速度計を利用するが、このように測定された受信部100の方向ベクトルは、前記測定された入力手段100の方向ベクトルと共に前記入力手段100と前記受信部200の相対的方向ベクトルを測定するのに利用される。
このような前記入力手段100と前記受信部200の相対的方向ベクトルを測定する理由は、正確な入力手段100の位置を追跡するためである。これは、超音波信号を発生する超音波発生部110が前記入力手段100のエンドに位置しないので、前記入力手段100の位置を追跡することにおいて、ユーザの意図による実際位置が入力されない誤差が発生する。
このような誤差を修正するために、前記測定された前記入力手段100と前記受信部200の相対的方向ベクトルと、前記入力手段100のエンドで一定距離だけ離れたところに位置する前記超音波発生部110までの距離値で三角図形法を利用して計算すると、前記入力手段100のエンドの位置を正確に測定することができる。
前記受信制御部230は、前記第2方向測定部220が受信部200の方向を測定し、前記信号処理部260の位置追跡部265が正確な入力手段100の位置を追跡するようにする制御信号を出力する。
前記信号補正部240は、受信された超音波信号を補正する。このような補正装置として時間利得制御プレアンプ(Time−Gain Control Pre Amplifier)を利用するが、時間利得制御プレアンプは、超音波受信部210に受信される超音波信号の受信時間によって時間利得を制御して超音波信号を補正する。
このように超音波信号を補正する理由は、超音波信号が空気中では減殺現象があって、これを補正しないと、超音波受信部210が超音波信号を測定するのが困難であるためである。この際、時間利得は公式の形態又はルックアップテーブル形態で前記メモリ225に保存されることができる。
前記方向算出部250は、前記第1方向測定部120で測定された入力手段100の方向ベクトルと前記第2方向測定部220で測定された受信部200の方向ベクトルから前記入力手段100と前記受信部200の相対的方向ベクトルを算出する。
前記信号処理部260は、超音波受信部210から受信された超音波信号で前記入力手段100の位置(超音波発生部の位置)を追跡するために、フェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する。このようなフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式の詳細な説明は後述する。
前記位置追跡部265は、前記信号処理部260で追跡された入力手段100の位置(超音波発生部の位置)と、前記方向算出部250で算出された入力手段100と受信部200の相対的方向ベクトルで最終的な入力手段100の位置(入力手段のエンドの位置)を追跡する。この際、最終的な入力手段100の位置は、三角図形法によって求められる。
最後に、前記第2伝送部270は、前記位置追跡部265で追跡された最終的な入力手段100の位置をコンピュータに伝送することである。
以下、前述した構成を有する超音波を利用した入力装置の動作を添付図面を参照して説明する。
図4は、本発明の実施例による超音波を利用したコンピュータ入力装置の動作を示す流れ図を示す図である。
図4を参照すると、図示されたように、前記制御部160は、ユーザが前記動作ボタン130を通じて入力手段100を動作させようとする要求があったかを検査S11する。検査結果、動作要求があれば、前記制御部160は、超音波発生部110が超音波信号を発生し、第1方向測定部120が入力手段100が向かう方向を測定して入力手段100の位置入力がスタートS12されるようにする。この際、前記第1方向測定部120は、3軸加速度計を利用して方向を測定する。
そして、超音波発生部110から発生された超音波信号は、受信部200の超音波受信部210に受信S13され、受信された超音波信号は前記信号補正部240で時間利得制御プレアンプによって補正S14される。この際、補正は、時間利得制御プレアンプの時間利得を受信された超音波信号の受信時間によって補正することにより行われる。
このように補正された超音波信号は、デジタル信号に変換S15過程を経て前記信号処理部260でフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式を通じて前記入力手段100の位置(超音波発生部の位置)が追跡S16されるのに利用される。そして、追跡された入力手段100の位置(超音波発生部の位置)と、前記信号処理部260で前記方向算出部250で算出された入力手段100と受信部200の相対的方向ベクトルで三角図形法によって前記位置追跡部265で最終的な入力手段100の位置(入力手段のエンドの位置)が追跡S17される。
そして、前記追跡された最終的な入力手段100の位置(入力手段のエンドの位置)は、前記第2伝送部270を通じてコンピュータに伝送S18される。この際、第2伝送部270とコンピュータの連結は、USBを通じて連結されることができる。
最後に、前記受信制御部230は、入力手段100の動作終了要求があるかを検査S19して、検査結果、動作終了要求があれば、終了し、動作終了要求がなければ、入力手段100の位置入力を継続行う。
一方、前記信号処理部260のフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式について、添付図面を参照して具体的に説明する。
図5は、本発明の実施例によるフェイズセンシティブクロスコーリレイションを利用して入力手段の位置を追跡する過程を説明するための流れ図を示す図で、受信された超音波信号で変換されたデジタル信号が前記信号処理部260に入力され最終的な入力手段100の位置を追跡する過程を説明した図である。
図5を参照すると、前記受信制御部230は、変換されたデジタル信号が前記信号処理部260に入力S21されるように制御し、入力されたデジタル信号から最高出力チャンネルを決定S22する。そして、決定された最高出力チャンネルと基準信号をクロスコーリレイションS23を通じて比較して、入力手段100の位置を追跡するのに使用される大略的な最高値を探す。
そして、位相ゼロ交差点を更に探して、位相ゼロ交差値を推定S24して、前記入力手段100の位置を追跡するのに使用される正確な最高値を探して、これを通じて入力手段100の位置(超音波発生部の位置)を追跡S25する。即ち、フェイズセンシティブクロスコーリレイションは、クロスコーリレイション過程後、位相ゼロ交差点を更に探して、位置追跡に使用される正確な最高値を探す方式である。
このようなフェイズセンシティブクロスコーリレイション過程を通じて追跡された入力手段100の位置(超音波発生部の位置)と、前記方向算出部250で算出した入力手段100と受信部200の相対的方向ベクトルを三角図形法を利用すると、最終的な入力手段100の位置(入力手段のエンドの位置)を追跡S26することになる。そして、追跡された最終的な入力手段100の位置(入力手段のエンドの位置)を次ぎ位置を追跡するための基準信号として、前記メモリ225に保存S27する。
付加的に、前記入力手段100の位置を追跡する時、従来のクロスコーリレイション過程のみ経ると、前記入力手段100の位置を追跡するのに使用される点である最高値を探すために、インターポレイション(Interpolation)を通じてサンプリング比を向上させなければならないが、この場合、計算量も増加し、このように得られた値もノイズの影響でエラー要素を含むという問題点がある。
しかし、前述したように、信号処理において、フェイズセンシティブクロスコーリレイション方式を利用すると、追加的なインターポレイションが必要なく、これによって相対的な計算量も減少して搬送波長より非常に小さい入力手段の動きを感知することができ、SNR(Signal to noise ration)が増加するという長所がある。
前述したように、本発明は超音波と慣性を共に利用して入力手段の位置を正確に追跡することにより、超音波1つのみを利用して入力手段の位置を追跡する入力装置より正確に入力することができるという長所がある。
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
100 入力手段
110 超音波発生部
130 動作ボタン
200 受信部
210 超音波受信部
220 第2方向測定部
110 超音波発生部
130 動作ボタン
200 受信部
210 超音波受信部
220 第2方向測定部
Claims (14)
- 超音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部とを含む入力装置において、
前記入力手段は、
入力手段の動きによって超音波信号を発生する超音波発生部と、
前記超音波発生部が超音波信号を発生するように制御信号を出力する制御部と、を含み、
前記受信部は、
前記超音波発生部から発生された超音波信号を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部で受信された超音波信号で前記入力手段の位置を追跡するためにプェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する信号処理部と、を含むことを特徴とする超音波を利用した入力装置。 - 前記入力手段はペン又は手袋形態であって、入力手段を動作させる動作ボタン又は特定機能を行う機能ボタンを更に含むことを特徴とする請求項1記載の超音波を利用した入力装置。
- 前記動作ボタンは、ユーザの圧力によって動作されることであって、
圧力の強度によって前記入力手段から入力される線の太さが変わることを特徴とする請求項2記載の超音波を利用した入力装置。 - 前記超音波受信部は3つ以上を含んで前記入力手段の空間的位置を追跡することを特徴とする請求項1記載の超音波を利用した入力装置。
- 前記受信部は、前記超音波受信部に受信された超音波信号の受信時間によって時間利得を制御(Time−Gain Control)して超音波信号を補正する信号補正部を含むことを特徴とする請求項1記載の超音波を利用した入力装置。
- 音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部とを含む入力装置において、
前記入力手段は、
入力手段の動きによって超音波信号を発生する超音波発生部と、
前記入力手段が向かう方向を測定する第1方向測定部と、
前記超音波発生部が超音波信号を発生し、前記第1方向測定部が入力手段の方向を測定するように制御信号を出力する制御部と、を含み、
前記受信部は、
前記超音波発生部から発生された超音波信号を受信する超音波受信部と、
前記受信部が向かう方向を測定する第2方向測定部と、
前記第1方向測定部と前記第2方向測定部で測定されたそれぞれの方向から前記入力手段と前記受信部の相対的方向ベクトルを算出する方向算出部と、
前記超音波受信部から受信された超音波信号で前記入力手段の位置を追跡するためにフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する信号処理部と、
前記信号処理部で追跡された入力手段の位置と、前記方向算出部で算出された入力手段と受信部の相対的方向ベクトルで最終的な入力手段の位置を追跡する位置追跡部と、を含むことを特徴とする超音波を利用した入力装置。 - 前記入力手段はペン又は手袋形態であって、入力手段を動作させる動作ボタン又は特定機能を行う機能ボタンを更に含むことを特徴とする請求項6記載の超音波を利用した入力装置。
- 前記動作ボタンは、ユーザの圧力によって動作されることであって、
圧力の強度によって前記入力手段から入力される線の太さが変わることを特徴とする請求項7記載の超音波を利用した入力装置。 - 前記超音波受信部は3つ以上を含んで前記入力手段の空間的位置を追跡することを特徴とする請求項6記載の超音波を利用した入力装置。
- 前記受信部は、前記超音波受信部に受信された超音波信号の受信時間によって時間利得を制御して超音波信号を補正する信号補正部を含むことを特徴とする請求項6記載の超音波を利用した入力装置。
- 第1方向測定部及び第2方向測定部は、3軸加速度計を利用して方向を測定することを特徴とする請求項6記載の超音波を利用した入力装置。
- 音波信号を発生して位置を入力する入力手段と前記入力手段から発生された超音波信号を受信する受信部を含む入力装置の位置認識方法において、
前記入力手段の動きによって超音波信号を発生する段階と、
発生された超音波信号を受信する段階と、
前記入力手段の方向と前記受信部の方向をそれぞれ測定して、これから入力手段と受信部の相対的方向ベクトルを算出する段階と、
前記超音波受信部から受信された超音波信号で入力手段の位置を追跡するためにフェイズセンシティブクロスコーリレイション方式で信号処理する段階と、
前記信号処理段階で追跡された入力手段の位置と前記算出段階で算出された入力手段と受信部の相対的方向ベクトルで最終的な入力手段の位置を追跡する段階と、を含むことを特徴とする超音波を利用した入力装置の位置認識方法。 - 前記測定段階は、3軸加速度計を利用して方向を測定することを特徴とする請求項12記載の超音波を利用した入力装置の位置認識方法。
- 前記超音波受信部に受信された超音波信号の受信時間によって時間利得を制御して超音波信号を補正する段階を更に含むことを特徴とする請求項12記載の超音波を利用した入力装置の位置認識方法。
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