JP2016040870A - 画像処理装置、像形成方法およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】魚眼レンズを含んで構成され、画像の各領域で適切なフレア補正を行うことを可能とする撮像装置、像形成方法およびプログラムを提供すること。
【解決手段】 本発明は、魚眼レンズにより画像を撮像素子上に形成し、撮像素子上の魚眼レンズによる画像領域の外縁の画素値を使用して取得した画素値からフレアの画素値を推定する。その後、推定した前記フレアの画素値から画像全体のフレア画像を生成するためのフレア係数を生成し、フレア係数およびローパスフィルタを適用した後の画像領域の画素値を使用してフレア画像を生成する。さらにその後、画像からフレア画像を減ずることにより前記画像のフレア補正を行うことで、フレア補正を行った像を形成している。
【選択図】 図7
【解決手段】 本発明は、魚眼レンズにより画像を撮像素子上に形成し、撮像素子上の魚眼レンズによる画像領域の外縁の画素値を使用して取得した画素値からフレアの画素値を推定する。その後、推定した前記フレアの画素値から画像全体のフレア画像を生成するためのフレア係数を生成し、フレア係数およびローパスフィルタを適用した後の画像領域の画素値を使用してフレア画像を生成する。さらにその後、画像からフレア画像を減ずることにより前記画像のフレア補正を行うことで、フレア補正を行った像を形成している。
【選択図】 図7
Description
本発明は、デジタル画像の処理に関し、より詳細には、複数のカメラにより撮影されたデジタル画像の合成像を形成するための技術に関する。
デジタルカメラが高機能化し、また小型化するにつれて撮影した画像を処理し、他の用途に提供したり、情報に付加価値を浸けたりなど利用性が多様化してきている。近年では、魚眼レンズを使用した全天球カメラを使用して各種の画像を撮影し、他の用途に利用することが普及している。
ところでデジタルカメラの撮像センサーは、光電変換を行う半導体素子を含んでいるため、熱などに起因する暗時ノイズを回避することはできない。この暗時ノイズは、撮影時には光の強度に依存しない画像ノイズとして記録される。このようなノイズは撮像センサー上の遮光領域の画素値から測定でき、OB値として参照される。画像処理では測定したOB値を、得られた撮像センサーの画素値から減算することで、ノイズの少ない画像を得ることができる。さらに所定の画素値を減算することで、画像の黒領域を黒(画素値0)にする黒レベル補正処理は既に知られている。
しかし、今までの黒レベル補正処理においては、光源が写りこむなどフレアの影響がある場合、黒領域が白く浮くことがあり、所定の画素値を減算するだけでは補正できない。特に2眼など複数のカメラで構成される全天球カメラにおいてはカメラごとのフレアの発生の仕方が異なるため、複数カメラの画像をスティッチする際に境界が生じ、うまく画像合成できない場合があった。
また、フレア補正を行う場合、撮像素子の遮光領域を用いることが一般的であり、遮光領域のない撮像素子において黒レベル補正で適用するパラメータを決定できないと言う問題点も有った。
従来からフレアを改善する技術が知られており、例えば、特許第4964830号明細書(特許文献1)には、撮影した全方位画像のフレア補正を行う全方位撮像装置及び全方位画像の撮像制御方法を提供する目的で、周囲からの入射光を反射光として出力する全方位ミラーと、撮像レンズを介して入射した前記全方位ミラーからの反射光を撮像素子により光電変換し、全方位画像を生成する手段と、前記全方位画像の前記全方位ミラーからの光入射の 無い中心領域の信号レベルを取得する手段と、前記中心領域の信号レベルに基づいて前記全方位画像のフレア補正値を算出する算出手段と、前記算出したフレア補正値に基づいて前記全方位画像のフレア補正を行う手段が開示されている。
特許文献1は、全方位画像に発生するフレアの補正を可能とする。しかし、特許文献1に記載された技術は、撮像素子の遮光領域を用いるものであり、射倖領域を形成する追加の部材を必要とする他、遮光領域を形成しない装置に対しては、適用することができないと言う問題が有った。
本発明は、魚眼レンズを含んで構成され、画像の各領域で適切なフレア補正を行うことを可能とする撮像装置、像形成方法およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明は、光の入射した画像領域および撮影された画像から光入射のない領域における画素値を利用してフレア量を推定し補正を行う。この際、フレアを2次元のガウスモデルで近似しモデル化し、フレアの画像全体への広がりを近似する。そして、全体のフレアレベルを、魚眼画像における光入射の無い周辺領域の信号レベルを利用して推定し、得られた画像の各領域におけるフレアレベルを撮影された画像から減算することで、画像の各領域で適切なフレア補正を行う。
以上のフレア補正は、撮像素子の受光部を制限するフィルタなどの追加部材を使用することなく、全天球撮像装置に対して適用することができる。
図1は、本実施形態の撮像装置102が取得する画像およびその画像合成の実施形態を示す図である。撮像装置102は、説明する実施形態では、全天球カメラとして構成されており、複数のレンズと、レンズに対応して配置された撮像素子とを含んで構成されている。各レンズおよび撮像素子は、個別のカメラA、カメラBを構成し、撮像装置102は、レンズの数に応じた複数の画像103、104を生成する。撮像装置102は、これらの画像103、104を合成し、全天球画像などを生成する。
この際の処理で、被写体に例えば太陽など高輝度物体を含む場合、高輝度物体が含まれるシーンは、片側の撮像素子(CMOSセンサ)にフレアが生じて、画像103および画像104に明るさに違いが生じる。このような明るさの相違は、画像合成を行う場合に合成後の画像に違和感を生じさせてしまうので補正などにより除去することが好ましい。
高輝度物体が画像に存在する場合に発生するフレアは、高輝度物体を中心にセンサー面全体に広がる傾向にある。一方、撮像素子の境界部分、すなわち縁部には、露出補正に適切な物体が存在しない、例えば、黒い物体がある場合なども想定される。この場合には、両画像103、104の共通画素を使用する補正は困難となる。このため、フレア自体が露出に影響する度合いを推定して補正を行うことがより汎用的な補正方法と言うことができる。
図2は、本実施形態の撮像装置102の機能ブロック200を示す図である。なお本実施形態は、1つの魚眼画像に適用できるが、具体例として、2台の魚眼カメラを用いて全天球画像を生成する場合について処理を示した。本発明の撮像装置102は、撮像部202と、装置本体230とを含んで構成することができる。撮像部202は、レンズ系およびCMOSといった撮像素子を使用してRAWデータを取得する。取得したRAWデータは、装置本体230へと転送され、各種処理が適用される。撮像部202は、レンズおよび撮像素子であるCMOSセンサを、1ユニットとして、このユニットを撮像するシーン数に対応する数搭載した構成とされている。撮像素子は、装置本体230の処理装置(CPU)215aから制御され、撮像およびデータ転送などの処理を行う。
さらに、装置本体230は、画像処理部230aと制御部230bを含んで構成されている。なお、図2中、画像処理部230aおよび制御部230bを別の機能部として記載する。しかしながら、本実施形態では、図示するように別々の装置とすることもできるし、画像処理部230aおよび制御部230bを一体として大規模集積回路、いわゆるASIC(Application Specific Integrated Circuit)として構成することもできる。
画像処理部230aは、撮像素子からのRAWデータを処理する機能部である。また制御部230bは、画像処理部230aは、イメージ信号処理部(Image Signal Processor: ISP)204、205を2系統搭載する。ISP204、205は、撮像素子からのデータに対してホワイトバランス調整およびガンマ処理を適用する。また、ISP204、206は、撮像素子からの画像データをフィルタリング処理して輝度データ・色差データへの変換も行う。さらに、画像処理部230aは、歪曲補正および画像合成を行う歪曲・合成処理部IPP206を備えている。
当該各機能を適用するため、ISP204、205は、それぞれ第1ISP、第2ISP(図示せず)として構成されている。また、本実施形態のIPP206は、3軸加速度センサー203からの加速度情報を利用して、歪曲補正および天地補正を適用して、画像の歪曲を補正すると共に、上下の正しく設定された合成画像を生成する。この間に生成された画像データは、以後の処理のためのメモリ制御部208から記憶装置201(SDRAM)に格納される。さらにIPP206は、傾き補正が終了した後の画像データを使用して、顔検出などの追加的処理を行う。
本実施形態で、記憶装置201に格納することができる画像データは、例えば、ISP204、205でホワイトバランス設定およびガンマ設定が適用された「RAW−RGB画像データ」、その後輝度データ・色差データ変換が行われた状態の「YUV画像データ」、およびIPB211の各種エンコーダによって圧縮された「JPEG画像データ」、「H.264動画データ」などを挙げることができる。
以下、本実施形態の撮像装置102の動作について説明する。撮像装置102は、ユーザがスイッチ219をオンすると動作を開始し、処理装置215aが、NVRAM217などの不揮発性メモリに格納された処理プログラム、パラメータ・データを読み込んで処理を開始する。処理装置215aは、メモリ214にプログラムを読み込み、パラメータなどの必要なデータを、SDRAM216や内蔵RAM(図示せず)などのメモリに格納する。
NVRAMは、随時書換え可能なNANDフラッシュやSDカードとして構成することができ、各種制御プログラムのアップデートやパラメータの変更を容易にさせている。その他、制御部230bは、不揮発性メモリコントローラNVC、USBコントローラUSBを備えており、これらは、PCIまたはPCIExpressブリッジ213を介してメインメモリに接続され、各種の処理を可能としている。その他、制御部230bは、電源制御部PW,オーディオ制御部Audio、通信制御部COM、ディスプレイ制御部LCDDを備えていて、電源制御、マイクスピーカ220、222による音声入出力、Wi−Fi223などによる外部通信、LCD224を介したディスプレイ表示を可能としている。この他、撮像装置102は、メモリーカードなどを装着できるカードスロットを備えていても良い。
制御部230bは、さらに画像処理部IPB211を備えている。IPB211は、その機能モジュールとして解像度変換処理部(RC)、JPEG変換処理部(JPEG)、H.264変換処理部(H.264)、および省電力制御部(PCTL)を含んで構成されている。IBP211は、上流側に接続された画像処理部230aからの画像データを受領して、解像度調整および各種エンコード処理を適用し、所定のフォーマットの画像データを作成する。作成されたデータは、データバス212を介してメモリ214へと送られて、処理装置215aからの指令により各種の処理が適用される。
図3は、本実施形態の撮像装置102が実行する処理を示した図である撮像素子であるCMOS202a、202bから出力されたRAW画像は、それぞれブロック301の第1ISPに送付される。送付されたRAW画像は、第1ISP内でオプティカル・ブラック補正(OB)補正処理、欠陥画素補正処理、Linear補正処理、Shading処理、領域分割平均処理が適用される。各処理が適用された後の画像データは、DRAMなど適切な記憶手段に格納される。なお、CMOS202a、202bからの2系統の出力は、いずれの等価な処理を並列設定されたISP204、205で適用される。以下説明の便宜上、CMOS202aからの画像データについての処理を例示的に説明する。
ブロック301で第1IPSの処理が終了した画像データは、ブロック302で、動画・静止画の判断が行われる。静止画の場合には、ブロック303で画質判定が行われ、高画質画像の場合には、ブロック304で圧縮処理、説明する実施形態ではZIP方式で圧縮される。圧縮された画像データは、ブロック305で適切な持続性記憶手段に記憶され、その後、ブロック306でユーザ指令による外部出力などが行われる。
一方、ブロック302で、動画と判定された場合およびブロック303で低画質画像と判断された場合、画像データは、ブロック307で第2ISPに送られる。第2ISPでは、WB Gain処理、γ補正処理、ベイヤー補間処理、YUV変換処理、YCFLT処理、色補正処理が適用される。第2ISPでの処理が終了した画像データは、ブロック308で正則画像に切り取る処理(クロップ処理される。なお、クロップ処理は画像の中心領域を切り抜くことでサムネイル画像を生成するために適用しても良い。その後、ブロック309で3軸加速度センサーから得た加速度情報を取得し、ブロック310で歪曲補正、合成処理される。3軸加速度センサーからの情報は、傾き補正(天地補正)のために用いられる。
その後、ブロック311で、顔検出が適用され、顔の画素領域を特定する情報が生成される。さらにその後、再度動画・静止画判定が行われ、静止画の場合ブロック313で圧縮処理、説明する実施形態では、JPEG方式で圧縮が行われ、タグ付けを行った後、ブロック315で適切なDRAMなど記憶手段に格納が行われる。また、ブロック312で動画と判定された画像データは、ブロック314に送られ、動画用圧縮処理、説明する実施形態ではH.264方式での圧縮が行われ、ブロック315で保存される。さらにその後、ユーザの指令に応じてブロック316へと送られ、外部出力が行われる。
画像データの外部出力形式としては、SDカードなどのメディアへの保存、スマートホン、タブレット端末などの携帯端末に転送する際には、無線LANなどを介してWi−Fi、Bluetooth(登録商標)などのプロトコルにより、携帯端末に転送を行う。また、有線LANを介して、パーソナル・コンピュータに外部出力することもできる。
図4は、本実施形態の第1ISPの機能ブロック400を示す。第1ISPは、フレア補正部401と、欠陥画素補正部402と、リニア補正部403とを含んで構成されている。フレア補正部401は、有効画素領域の出力信号をフレアや暗時ノイズの大きさに応じてクランプ補正する処理を適用する。また、欠陥画素補正部402は、欠陥画素に隣接した複数の画素からの合成信号に基づいてその欠陥画素の画素値を補正する。当該欠陥画素補正部402は、撮像素子には多数の画素の欠陥を補うために構成される。また、リニア補正部403は、RGB毎に色味のリニア補正を適用する。
さらに第1ISPは、シェーディング補正部404と領域分割平均部405とを含んで構成されている。シェーディング補正部404は、予め用意された補正係数(固定値)を有効画素領域の出力信号に乗じることによって、有効画素領域のシェーディング(陰影)の歪みを補正する。また、領域分割平均部405は、画像領域を分割し、画像領域の平均輝度を算出する処理を適用する。この処理部は、AE処理のために使用される。
図5は、第2ISPの機能ブロック500を示す。第2ISPは、WB処理部501と、ガンマ補正部502と、ベイヤー補間部503とを含んで構成することができる。WB処理部501は、RGBのゲインを調整しホワイトバランスを提供するための処理である。被写体からの光を蓄積するCMOSを含んで構成される撮像素子は、1画素1画素にRED、GREEN、BLUEのいずれかの色のカラーフィルタが貼付されている。このフィルタの色によって透過光量が異なるため、撮像素子の画素に蓄積される電荷量は、異なることになる。
最も高感度なのは、Gで、RとBは、GREENと比較すると感度が低く約半分程度となる。このため、WB処理部501は、これらの感度差を補償し、撮影画像の中のホワイトを再現するように、RとBの光量にゲインを掛ける処理を行う。なお、物体の色は光源色(例えば、太陽光、蛍光灯など)によって変わってくるため、光源が変わっても白色を白く見せるようにRとBのゲインを変更する機能を有していても良い。
また、ガンマ補正部502は、画像データの色深さデータと画素の目視輝度とが、線形性を提供し、画像の色階調性を確保し、画像を明るく調整する処理を適用する。ベイヤー補間部503は、CMOSにおけるベイヤー配列で、周辺の画素の色値から、処理対象の画素の処理に必要な他の2色の情報を補間して取得する処理を適用する。この理由は、ベイヤー配列では、1画素にRED、GREEN、BLUEのいずれか1色のカラーフィルタが配置されており、RAWデータは1画素に1色の情報しか取得しない。しかし、RAWデータを画像として処理するためには、1画素にRED、GREEN、BLUEの3色の情報が必要であり、この不足した2色を補うことは必要とされるからである。
さらに第2ISPは、YUV変換部504と、エッジ強調部505と、色補正部506とを含んで構成することができる。YUV変換部504は、RAWデータのRGBデータを、均等色空間座標の値に変換する処理を適用する。このYUV変換は、RGBデータから、輝度信号Yと色差信号UVとを計算し、YUVデータ形式に変換を行う。
エッジ強調部505は、画像の輝度(Y)信号からエッジ部分を抽出するエッジ抽出フィルタと、エッジ抽出フィルタにより抽出されたエッジに対してゲインを掛けるゲイン乗算部とを含んで構成することができる。その他、エッジ抽出と並行して画像のノイズを除去するLPF(ローパスフィルタ)と、ゲイン乗算後のエッジ抽出データとLPF処理後の画像データを加算するデータ加算部を含んで構成され、画像端部のシャープさを改善するために構成される。これらの機能部は、これまで知られた如何なる機能手段を使用して構成することができる。
色補正部506は、彩度設定、色相設定、部分的な色相変更設定、色抑圧設定などに応じて、色調を補正する処理を適用する。例えば、彩度設定は色の濃さを決定するパラメータ設定を使用する。色補正は、UV色空間における補正である。
以下、図6を使用して本実施形態のフレア補正処理を説明する。図6(a)は、本実施形態におけるフレア補正に使用する画像領域を示す。図6で、濃いハッチングで示した領域は、光入射のない非入射領域を示す。魚眼レンズは、結像中心Oから、半径Rfishの半径の円内の画素で有効なイメージング領域を提供する。そこで、非入射領域を、中心Oから半径Rnl(>Rfish)の円の外側の画素と定義する。半径Rnlを、Rfishより大きく設定することで、確実に光が入射しない領域を規定できる。
図6(b)は、非入射領域のデータを決定する際の処理を説明する図である。本実施形態では、図6(b)で示すように、領域をメッシュ分割し、その後、非入射領域のメッシュをピックアップして平均値を求める。このことによってAE補正などに用いる処理部(領域分割平均部405)と、フレア補正を行うための処理部(フレア補正部401)を共通化できる。
非入射領域の画素値は、ダークノイズ成分と、フレア成分とが主な成分と考えられる。フレアは、位置によって強度が異なるため、非入射領域の画素値は4隅で平均値が変化する可能性がある。一方で、ダークノイズ成分は、感度によって規定される一定値とすることができる。
以下、本実施形態で使用するフレアモデルを説明する。本明細書においてフレアとは、光源による光が鏡筒内で乱反射し、結像光以外の光が撮像素子に達することで像信号に相当する情報を与える現象として定義できる。以下、本実施形態において、得られた画像からフレアを推定する処理を説明する。
本実施形態では、フレアモデルは以下の通り定式化できる。
H1.フレアfは、kpnを定数として、レンズに入射する単位面積当たりの光子数pmに比例する。
H1.フレアfは、kpnを定数として、レンズに入射する単位面積当たりの光子数pmに比例する。
上記式(8)を式(7)に代入すると、非入射領域におけるローパス画像に関して以下の関係が与えられる。
すなわち、式(10)により、フレア係数kglを、フレアの画素値に関係ない下記式(11)として変形し、定式化することができる。
フレア補正で、ローパス画像における4隅の非入射領域の値を算出し、式(12)のフレアfと比較する。ローパス画像の非入射領域はフレアが広がっていると仮定する。H1から、画素値とフレアレベルとの比例定数を、ローパス画像の非入射領域の値とfの比から得る。フレア補正の結果、画像全体にわたって暗くなる。このため、本実施形態では、明るさ補正を行うことが好ましい。本実施形態の明るさ補正は、平均フレアレベルE(f)およびダークノイズdから、目標明るさレベルVAEを保つようにゲインcegをかける。
図7は、本実施形態のフレア補正のフローチャートを示す。処理は、ステップS700から開始し、ステップS702でRAW画像を取得し、ステップS703で非入射画像領域のダークノイズレベルであるOB値を算出する。ステップS704で、RAW画像からダークノイズを減算し、これを区別のためステップS705でRAW画像2として適切なメモリに出力する。
ステップS706では、各色成分の画像をベイヤー補間を使用して生成し、これをorg画像とする。以下、これをovcとして参照する。ステップS708でガウシアンフィルターを適用してローパス画像を作成し、ステップS709でこれをローパス画像「lvc」として出力し適切なメモリに格納する。ステップS710では、ステップS705の出力であるRAW画像2およびローパス画像を読み込み、式(5)を適用して、フレア係数kglを算出する。その後、ステップS711でフレア画像をfc=kgl×lvcとして計算して生成し、ステップS712でフレア画像を適切なメモリに格納する。
ステップS713で、vc=ovc−fc=ovc−kgl×lvcとしてフレア補正を適用し、ステップS714でフレア補正カラー画像を生成する。その後、ステップS715で式(13)、(14)で定式化した明るさ補正を適用し、ステップS716で明るさ補正カラー画像を生成して、適切なメモリに格納する。
その後、ステップS718で各色分離画像を生成し、補正後ベイヤーRAW画像(g+d)として出力して、ステップS720で処理を終了する。ステップS718の出力は、図4の欠陥画素補正部402処理へと送られ、以後の処理が適用される。
以上説明した通り、本実施形態においては、ダークノイズを計算する処理プロセスにおける追加処理としてフレア補正を組み込むことができ、特別なハードウェアモジュールや部材の追加を要すること無く、フレア補正を適用することができる。
これまで本発明を実施形態をもって説明してきたが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、他の実施の形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
102 :撮像装置
103 :画像
104 :画像
200 :機能ブロック
201 :記憶装置
202 :撮像部
202a :CMOS
202b :CMOS
203 :3軸加速度センサー
208 :メモリ制御部
212 :データバス
213 :ブリッジ
214 :メモリ
215a :処理装置
216 :SDRAM
217 :NVRAM
219 :スイッチ
220 :マイクスピーカ
222 :マイクスピーカ
224 :LCD
230 :装置本体
230a :画像処理部
230b :制御部
103 :画像
104 :画像
200 :機能ブロック
201 :記憶装置
202 :撮像部
202a :CMOS
202b :CMOS
203 :3軸加速度センサー
208 :メモリ制御部
212 :データバス
213 :ブリッジ
214 :メモリ
215a :処理装置
216 :SDRAM
217 :NVRAM
219 :スイッチ
220 :マイクスピーカ
222 :マイクスピーカ
224 :LCD
230 :装置本体
230a :画像処理部
230b :制御部
Claims (8)
- 魚眼レンズによる画像を取得する撮像素子と、
前記撮像素子上の前記魚眼レンズによる画像領域の外縁の画素値を使用して取得した画素値からフレアの画素値を推定する手段と、
推定した前記フレアの画素値から画像全体のフレア画像を生成するためのフレア係数を生成する手段と、
前記フレア係数およびローパスフィルタを適用した後の前記画像領域の画素値を使用してフレア画像を生成する手段と、
前記画像からフレア画像を減ずることにより前記画像のフレア補正を行う手段と
含む撮像装置。 - 前記外縁の画素を、前記魚眼レンズの結像中心からの半径に基づいて決定する手段を含む、請求項1に記載の撮像装置。
- さらに前記フレア画像を減じたことによる前記画像を明るくするように補正する手段を備える請求項1または2に記載の撮像装置。
- さらに、複数の魚眼レンズが取得した画像をそれぞれ明るさ補正した後に複数の画像を合成するための合成手段を備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 魚眼レンズにより画像を撮像素子上に形成するステップと、
前記撮像素子上の前記魚眼レンズによる画像領域の外縁の画素値を使用して取得した画素値からフレアの画素値を推定するステップと、
推定した前記フレアの画素値から画像全体のフレア画像を生成するためのフレア係数を生成するステップと
前記フレア係数およびローパスフィルタを適用した後の前記画像領域の画素値を使用してフレア画像を生成するステップと、
前記画像からフレア画像を減ずることにより前記画像のフレア補正を行うステップと
を含む像形成方法。 - さらに前記フレア画像を減じたことによる前記画像を明るくするように補正するステップを含む請求項5に記載の像形成方法。
- さらに、複数の魚眼レンズが取得した画像をそれぞれ明るさ補正した後に複数の画像を合成するステップを含む、請求項5または6に記載の像形成方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の手段として装置を機能させるための装置実行可能なプログラム。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10699393B2 (en) | 2015-12-15 | 2020-06-30 | Ricoh Company, Ltd. | Image processing apparatus and image processing method |
JP2022051360A (ja) * | 2020-09-18 | 2022-03-31 | 株式会社東芝 | 画像処理装置 |
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