JP2017142370A - 空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空中映像をすり抜けた人の手や体によって空中映像を形成している光路の一部が遮断され、空中映像の一部が形成されなくなることによる、視聴者の違和感、又は生理的な不快感を低減する空中映像表示装置を提供する。
【解決手段】空中映像表示装置１００は、映像を表示する映像表示部１０と、映像表示部１０に表示された映像を透過及び反射の性質によって空中映像として空中に結像させるビームスプリッタ１１と再帰反射シート１２からなる空中結像光学系と、空中映像をすり抜けた対象に対して映像を投影する映像投影部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子のない空中に映像を映し出す空中映像表示装置に関する。

表示素子のない空中に映像を映し出す空中映像表示技術を使用した装置が考案されている。例えば、特許文献１ではレーザープラズマによるプラズマ発光現象、又はレーザービームを交差するように照射することで空中に映し出した映像を、壁や間仕切り、又は踏切や駅の改札における遮断機の代替に使用する装置が開示されている。ただし、プラズマ発光現象による空中映像は人体を近づけることに適さない。また、レーザービームの照射は、直接眼中に入らない配慮も必要である。

特許文献１に示されている空中映像表示技術の他に、フラットパネルディスプレイなどに表示した映像を、表示素子のない空中に映し出す技術が考案されている。例えば特許文献２では、２面コーナーリフレクタを平面上に多数構成した２面コーナーリフレクタアレイを用いて、映像を２面コーナーリフレクタアレイに対して面対称な位置にある空間に結像させ、実像として空中に映像を表示する技術が開示されている。

さらに特許文献３では、ハーフミラーと再帰反射シートとを用いて、映像をハーフミラーに対して面対称な位置にある空間に結像させ、実像として空中に映像を表示する技術が開示されている。

ＷＯ２０１４／０４１９７７ 特開２００９−２７６６９８号公報 特開２００９−２５７７６号公報

特許文献２又は特許文献３に記載されている技術で空中に表示した映像は、空中映像をすり抜けた人の手や体によって空中映像を形成している光路の一部が遮断されるため、空中映像の一部が形成されなくなり、空中映像の視聴者が違和感、又は生理的な不快感を覚えてしまう場合があった。

本発明の目的は、人や物が安全にすり抜けられる空中映像を利用して人や物の通行を制御する空中映像表示装置において、人や物が空中映像をすり抜けた際、視聴者が感じる違和感、又は生理的な不快感を抑えることができる空中映像表示装置を実現することである。

このような課題を解決するため、本発明の空中映像表示装置は、映像を表示する映像表示部と、前記映像を透過及び反射の性質によって空中映像として入り口として開かれた開口部に結像させる空中結像光学系と、前記開口部を通過する対象が許可対象であるかを判別する認証部とを備える。

また、映像を表示する映像表示部と、前記映像を透過及び反射の性質によって空中映像として入り口として開かれた開口部に結像させる空中結像光学系と、前記空中映像をすり抜けた対象に対して映像を投影する映像投影部とを備える。

本発明によれば、人や物が空中映像をすり抜けた際、空中映像の視聴者が感じる違和感、又は生理的な不快感を抑えることができる。

実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す俯瞰図である。 実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す上面図である。 実施の形態１の空中映像１６の一例を示す図である。 実施の形態１の空中映像１６の一例を示す図である。 実施の形態１の空中映像１６をすり抜けて通行者５０が壁１７の開口部１９を通過する状態を示す図である。 実施の形態１の図５に示した状態において、待機者５１が視認する映像を示した図である。 実施の形態１の通行者５０の体に映像投影部１３の投影する映像が映っている時に待機者５１が視認する映像を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す俯瞰図である。図１において、空中映像表示装置１００は、映像表示部１０、ビームスプリッタ１１、再帰反射シート１２、映像投影部１３、映像制御部１４及び認証部１５を備える。映像表示部１０に表示された映像が、ビームスプリッタ１１と再帰反射シート１２とによって構成される空中結像光学系により空中映像１６として壁１７の開口部１９に表示される。通行者１８は、認証部１５に対して認証操作を行う。これにより認証部は、通行者１８が許可対象であるかを判別する。映像制御部１４は、判別結果に応じて映像表示部１０の表示映像を切り替える。通行者１８は、認証部による判別が許可対象であるとされた場合、つまり認証された後に変化する空中映像１６の内容により壁１７の開口部１９を、空中映像１６をすり抜けるように通過する。このように空中映像表示装置１００は、壁１７の開口部１９を入り口とする認証機能が備わった入場ゲートとして動作するものである。映像投影部１３は、壁１７の開口部１９の上側に設置され、壁１７の開口部１９に向かって映像を投影する装置である。映像投影部１３が投影する映像は、映像制御部１４によって制御される。

図２は、本発明の実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す上面図である。構成は図１と同じであるため、説明は省略する。図２は、主に各構成の位置関係を示すものである。

以降、図１及び図２を用いて各構成の詳細について説明する。

映像表示部１０は、発光を伴う映像を表示する。これは例えば液晶ディスプレイのうち透過型液晶とバックライトとを備えたものである。このような液晶ディスプレイは、バックライトの光を液晶層によって画素毎に光の強度を変調することで映像を表示しており、液晶ディスプレイの表面からは変調された光線群が映像として出力される。これ以外にもプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ又はＬＥＤディスプレイのような自発光型の映像表示装置であっても良い。また、映像表示部１０の位置にスクリーンを設置し、スクリーンに対して別に設けるプロジェクタで映像を投影しても良い。この場合、プロジェクタの光がスクリーンで乱反射することにより、発光を伴う映像を表示することができる。映像表示部１０は、映像制御部１４から出力された映像信号を表示する。

ビームスプリッタ１１は、入射光を透過光と反射光とに分離する性質を持つ光学素子である。ビームスプリッタ１１は例えばハーフミラーである。ハーフミラーとは、透過光と反射光とが等しい強度となるように入射光を分離するものである。ただし、透過光と反射光との強度が等しい必要はなく、透過光と反射光との強度に差があってもよい。例えばビームスプリッタ１１は、無色透明なガラス又はアクリル板でもよい。ガラス又はアクリル板は、反射光に比べて透過光の強度が高い。ハーフミラーに対して無色透明なガラス又はアクリル板は、吸収率が低い特徴がある。空中映像表示装置においては、吸収率が低い光学素子を用いることで、空中映像の輝度を上げる効果がある。

再帰反射シート１２は、入射光を入射した方向にそのまま反射する再帰反射性能を持つ光学素子を平面シート状にしたものである。再帰反射は、レトロリフレクションとも表記される。再帰反射性能を持つ光学素子は、をレトロリフレクターとも呼ばれる。再帰反射性能を持つ光学素子は、鏡面上に小さなガラスビーズを敷き詰めたビーズタイプ、又は、各面が鏡面で構成される凹形状の小さな三角錐を敷き詰めたマイクロプリズムタイプがある。これらは交通標識に良く用いられている。交通標識の表面に再帰反射性能を持たせることで、夜間に自動車のヘッドライトで照らされた標識が、運転手から見えやすくなる効果がある。再帰反射シート１２は、剛性のある平板などに貼られた状態で固定されていることが望ましい。

図２に示すように、ビームスプリッタ１１は、映像表示部１０に対して４５度傾けた状態で配置される。また、再帰反射シート１２は、映像表示部１０に対して９０度傾けた状態で配置される。図２に示すような配置にすることで、ビームスプリッタ１１と再帰反射シート１２とは、空中映像表示装置１００における空中結像光学系として機能し、映像表示部１０に表示された映像を、ビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に空中映像１６として表示する。空中映像表示装置１００において、空中映像１６は壁１７の開口部１９に表示されるよう、映像表示部１０、ビームスプリッタ１１、再帰反射シート１２及び壁１７が配置されている。

映像表示部１０に表示した映像を空中映像１６として表示する原理について説明する。映像表示部１０に表示した映像として発光している光のうち、ビームスプリッタ１１に入射した光は、反射成分と透過成分とに分離される。このうち、反射成分は再帰反射シート１２に入射して再帰反射することでそのままビームスプリッタ１１に戻る。ビームスプリッタに戻った光は、さらにビームスプリッタ１１で反射成分と透過成分とに分離される。このうち、透過成分の光が壁１７の開口部１９に向かう。前述した光路の一つを破線で示したのが光路２０である。なお、光路２０はわかりやすいようにビームスプリッタ１１における反射光と透過光とが重ならないように描いているが、理想的にはビームスプリッタ１１上の同一点を通るものである。光路２０は映像表示部１０の表示面の中央から垂直方向に発光した光の光路だけを示しているが、映像表示部１０はその表示面全体から様々な方向に発光している。様々な方向に発光した光のうち、前述したビームスプリッタ１１で反射し、再帰反射シート１２で再帰反射し、ビームスプリッタ１１を透過する光の光路をたどると、ビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に再収束する。通行者１８には、この再収束した光が再収束した位置で光っているように見えるため、映像表示部１０に表示した映像が空中映像１７として視認される。

図２に示した映像表示部１０、ビームスプリッタ１１及び再帰反射シート１２の位置関係は好適な例として示したものである。映像表示部１０に表示した映像の光がビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に再収束する光路が確保されれば、映像表示部１０に対するビームスプリッタ１１及び再帰反射シート１２の設置位置と角度とは変わっても良い。例えば、再帰反射シート１２は、ビームスプリッタ１１よりも離れた位置に映像表示部１０と平行になる状態で設置しても良い。この場合、映像表示部１０に表示した映像として発光している光のうち、ビームスプリッタ１１を透過した光が再帰反射シート１２で再帰反射し、ビームスプリッタ１１に戻る光のうち、ビームスプリッタ１１を反射する光が空中映像を形成する。さらには、再帰反射シート１２は、映像表示部１０に対して４５度傾けた状態と、ビームスプリッタ１１よりも離れた位置に映像表示部１０と平行になる状態の２箇所に設置してもよい。この場合、空中映像として再収束する光路が２倍になり、空中映像の輝度が向上する。

認証部１５は、認証対象者が許可対象であるか、不許可対象であるかを判別する。認証対象者は、例えば通行者である。認証部１５は、例えば生体認証装置である。あらかじめ登録者の指紋を記録してデータベースとして保存する。認証部１５で認証対象者の指紋を読み取り、データベースと照合することで、登録者か否かを判別する。記録する生体信号は指紋に限ったものでは無く、網膜パターン、虹彩、又は指静脈など、個人を特定できるものであれば何でも良い。これ以外にも、認証部１５はＩＣカードリーダであってもよい。認証対象者が所持するＩＣカードの情報をデータベースと照合し、登録者か否かを判別する。

映像制御部１４は、認証部１５における認証結果に応じて、映像表示部１０及び映像投影部１３に表示する映像を出力する。本実施の形態では、映像制御部１４に備えられた記憶部に複数の映像が記憶されているものとする。これ以外に、映像制御部１４の外部から入力された映像を使用しても良い。

図３に空中映像１６の一例を示す。図３は、認証部１５で認証操作がされる前の状態を示す映像である。同じく図４に空中映像１６の一例を示す。図４は、認証部１５で通行者１８が認証操作を行った結果、正しく認証が行われたことを示す映像である。通行者１８は、認証操作後、図４に示す映像を視認し、空中映像１６をすり抜けるように壁１７の開口部１９を通り抜ける。

空中映像１６は、常にすり抜けることが可能であり、例えば図３に示した映像を表示している間も、通行者１８は認証操作を行うことなく、壁１７の開口部１９を通り抜けることが可能である。しかし、図３に示すように、「入場制限」などといった通り抜けをしないよう指示する表示を行うことで、通行者１８に対して、一定の警告を行うことが可能である。従来の入場ゲートでは、物理的なバーなどを配置して通行前の認証操作を促していた。一方、本実施の形態の空中映像表示装置１００は、物理的なバーの代わりに空中映像１６を表示する。空中映像は、物理的なバーと比べ、より多様な情報の表示が可能であり、また、通行者の目の前に映像を表示することができるため、通行者に対してより多くの情報を正確に伝えることが可能である。

空中映像１６を人がすり抜けて壁１７の開口部１９を通り抜けた際、すり抜けた人の体によって空中映像を形成している光路の一部が遮断されるため、空中映像の一部が形成されなくなる。空中映像を見ている人にとって、空中映像をすり抜けた人の体によって、すり抜けた体よりも手前にある空中映像が視認できなくなることは奥行き知覚と矛盾する現象であり、違和感、又は生理的な不快感を覚えてしまう。

図５は、空中映像１６をすり抜けて通行者５０が壁１７の開口部を通過する状態を示す図である。認証部１５で認証操作を行った通行者５０が、空中映像１６をすり抜けるように壁１７の開口部を通過する。待機者５１は、通行者５０の後に壁１７の開口部を通過するため、認証部１５付近で待機している。

図６は、図５に示した状態において、待機者５１が視認する映像を示した図である。図６において、通行者５０の認証結果に応じた映像が空中映像１６として表示されているが、その一部が通行者５０の体によって見えなくなる。なお、図６ではわかりやすいように通行者５０の体の周囲を描いている。図５において、空中映像１６を形成する一つの光路を示したのが光路５２である。光路５２は、通行者５０によって遮られ、空中映像１６として再収束しない。このように、空中映像１６とビームスプリッタ１１との間に物体があると、映像表示部１０に表示した映像が空中映像として再収束できなくなる光路が生じ、空中映像１６の一部が見えなくなる。

通常、映像の一部が見えなくなる状態は、映像よりも手前に物体があった場合に生じる。しかし、待機者５１にとって、通行者５０は空中映像１６よりも奥に存在するにも関わらず、空中映像１６が通行者５０の体によって見えなくなる。待機者５１の奥行き知覚に矛盾して映像が見えなくなることから、この現象をオクルージョン矛盾と呼ぶ。待機者５１の視界においてオクルージョン矛盾が発生すると、待機者５１は違和感、又は生理的な不快感を覚える。

図５に示す状態において、オクルージョン矛盾による違和感、又は生理的な不快感を軽減するのが、映像投影部１３から投影する映像である。本実施の形態において、映像投影部１３は、図１に示すように壁１７の開口部１９の上側に設置されたプロジェクタである。映像投影部１３は、映像制御部１４の出力する映像信号を入力とする。映像制御部１４は、映像表示部１０と映像投影部１３とに同じ内容の映像信号を出力する。つまり、映像投影部１３が投影する映像は、空中映像１６とその内容は同じである。

映像投影部１３は、空中映像１６のサイズと一致するように、入力された映像を空中映像１６に向かって投影する。すると、図５に示すように、通行者５０が空中映像１６をすり抜けて壁１７の開口部１９を通過する時、通行者５０の体がスクリーンとなり、映像投影部１３が投影する映像が通行者５０の体に映し出される。図７は、通行者５０の体に映像投影部１３の投影する映像が映っている時に待機者５１が視認する映像を示した図である。図７に示すように、図６で通行者５０の体によって見えなくなっていた空中映像１６の部分に、映像投影部１３が投影する映像が現われる。通行者５０の体の凹凸により、映像投影部１３の投影する映像に歪みがあるものの、待機者５１にとって、図７に示す映像はもはやオクルージョン矛盾を感じる映像では無い。このように、空中映像１６をすり抜けて壁１７の開口部１９を通り抜ける対象に、映像投影部１３によって空中映像１６と同じ内容の映像を投影することで、空中映像１６を観察する待機者５１が感じるオクルージョン矛盾による違和感、又は生理的不快感を抑えることが可能になる。

図１において、映像投影部１３は、壁１７の中央から壁掛金具を経由して設置しているが、設置方法はこれに限るものではなく、天井から吊るすように設置してもよい。または、床面付近から映像を投影するように設置してもよい。映像投影部１３は、通行者５０が壁１７の開口部１９を通過するのを阻害しないように設置するのが良い。また、映像投影部１３は、なるべく壁１７に近い位置に設置するのがよい。映像投影部１３を壁１７から離れた位置に設置した場合、映像投影部１３から空中映像１６の位置に対して映像が投影される角度が浅くなる。ここで角度とは、映像投影部１３から水平に延びる方向と、映像投影部１３から映像を投影する方向が為す角度である。角度が浅い場合、ビームスプリッタ１１又は再帰反射シート１２に対して映像投影部１３の映像が投影されてしまう。ビームスプリッタ１１又は再帰反射シート１２上に映像が見えると、空中映像１６の視認性が著しく悪化してしまう。また、再帰反射シート１２の表面は再帰反射以外に鏡面反射する性質を持つものがある。同じく角度が浅い場合、再帰反射シート１２で鏡面反射した映像投影部１３の光源の光が待機者５１の視界に入る場合がある。鏡面反射した映像投影部１３の光源の光は、再帰反射シート１２をぎらつかせるため、空中映像１６の視認性が著しく悪化してしまう。このような理由から、映像投影部１３は、壁１７に近い位置から深い角度で映像を投影することが望ましい。このような映像投影部１３として、投写距離の短いプロジェクタが好適である。

前述したように、本実施の形態の空中映像表示装置１００は、映像表示部１０に表示された映像を、ビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に空中映像１６として表示する。空中映像１６は、映像表示部１０に表示された映像に対して、ボケ、輝度低下、又はコントラストの低下などが発生する場合がある。これは空中結像光学系の性能、及び映像表示部１０に表示した映像の光が空中映像１６として再収束する光路の長さに依存する。

空中映像１６のボケの原因の一つは、ビームスプリッタ１１の表面以外に、ビームスプリッタ１１内部を透過した光がビームスプリッタ１１の裏面で再び透過成分と反射成分とに分離されることである。このため、光路２０からビームスプリッタ１１の厚み程度ずれた光路ができあがり、空中映像１６が二重像として現われる。

他の空中映像１６のボケの原因の一つは、再帰反射シート１２における再帰反射方向のずれである。再帰反射シート１２では、入射光に対してすべての光を入射方向に反射することは難しく、やや角度が付いた光も反射される。これら光が例えば光路２０が到達する再収束点の周囲に収束することで、空中映像１６にボケが発生する。これには映像表示部１０に表示した映像の光が空中映像１６として再収束する光路の長さも関係しており、光路が長くなると再収束点に対してより広範な範囲に再収束することで、空中映像１６のボケが大きくなる。

空中映像１６の輝度低下の原因の一つは、ビームスプリッタ１１における光の分離である。空中映像１６として再収束する光路の一つである光路２０は、ビームスプリッタ１１上を２回通る。この際、透過成分と反射成分とのうち、どちらか一方は空中映像１６として再収束しない。この再収束しない成分により、空中映像１６の輝度が低下する。

空中映像１６のコントラストの低下の原因の一つは、通行者１８から見て空中映像１６の背景として存在する再帰反射シート１２である。再帰反射シートには様々な色が存在するが、再帰反射する光の強度が高いものは白、又はシルバーである。こういった明るい色が空中映像１６の背景に存在すると、空中映像１６が白っぽく見え、コントラストが低下して見える。

映像投影部１３は空中映像１６をすり抜けて通過する対象に向かって空中映像１６と同じ内容の映像を投影するが、この時、映像投影部１３は空中映像１６に発生するボケ、輝度低下、又はコントラストの低下などを再現した映像を投影するのが良い。これにより、空中映像１６と映像投影部１３が投影する映像との差が小さくなり、空中映像１６をすり抜けて通過する対象に映し出される映像投影部１３の映像が、空中映像１６の一部であるかのように見せることができ、オクルージョン矛盾による違和感、又は生理的不快感をより効果的に抑えることが可能になる。映像投影部１３が投影する映像に対するボケ、輝度低下、又はコントラスト低下処理は、映像投影部１３内で行っても良いし、映像制御部１４で映像に対してボケ、輝度低下、又はコントラスト低下処理を行い、映像投影部１３に出力してもよい。

映像投影部１３は空中映像１６をすり抜けて通過する対象に向かって映像を投影するが、通行者５０の体の凹凸により、映像投影部１３の投影する映像は歪んでしまう。また、通行者５０の位置によって投写距離が変わり、通行者５０の体に投影される映像のサイズが変わる。空中映像１６と通過する対象に投影される映像のサイズが異なると、空中映像１６と通過する対象に投影される映像との一体感が損なわれてしまう。また、通過する対象に凹凸面があると、通過する対象に投影される映像が歪み、空中映像１６と通過する対象に投影される映像との一体感が損なわれてしまう。一体感が損なわれると、オクルージョン矛盾による違和感、又は生理的不快感を抑える効果が低くなってしまう。

この問題を解決するために、空中映像１６をすり抜けて通過する対象をカメラで撮影し、通過する対象の位置、又は形状に合わせて映像投影部１３から投影する映像を変化させても良い。このようにすることで、通過する対象の形状、又は位置に依らず、空中映像１６と通過する対象に投影される映像との一体感を維持し、オクルージョン矛盾による違和感、又は生理的不快感を抑えることが可能になる。

なお、本実施の形態では、通行者５０の上半身が空中映像１６の一部を見えなくする場合について説明したが、本発明は空中映像にオクルージョン矛盾が発生するケースのすべてに適用可能である。例えば、本発明は空中映像にタッチパネル機能を持たせた装置にも適用可能である。このような装置では、空中映像の特定のエリアに指を近づけることで特定の操作を行うインターフェースを備える。空中映像に指を近づけた時、指、又は手が空中映像をすり抜けるとその部分でオクルージョン矛盾が発生する。本実施の形態と同様に、空中映像をすり抜けた指、又は手に対して空中映像と同じ内容の映像を映像投影部から投影することで、オクルージョン矛盾による違和感、又は生理的不快感を抑えることが可能である。

本実施の形態では、空中映像光学系としてビームスプリッタ１１と再帰反射シート１２とを用いた。他の空中映像光学系として、ビームスプリッタ１１の位置に２面コーナーリフレクタアレイを配置することで、映像表示部１０に表示した映像を空中映像１６として表示することが可能である。２面コーナーリフレクタアレイは、直交する鏡面を平面上に垂直にアレイ状に並べた物であり、鏡面を計２回反射することで、入射した光を２面コーナーリフレクタアレイに対して面対称な方向へ屈曲させて透過させることができる。この場合も同様に映像表示部１０に表示した映像として様々な方向に発光した光のうち、２面コーナーリフレクタアレイで屈曲して透過した光が空中映像１６上に再収束することで、映像表示部１０に表示した映像を空中映像１６として表示することが可能である。２面コーナーリフレクタアレイによる空中映像光学系を用いた場合も、本実施の形態で説明したものと同じ効果が得られる。

１０ 映像表示部
１１ ビームスプリッタ
１２ 再帰反射シート
１３ 映像投影部
１４ 映像制御部
１５ 認証部
１６ 空中映像
１７ 壁
１８ 通行者
１９ 開口部
２０ 光路
５０ 通行者
５１ 待機者
５２ 光路
１００ 空中映像表示装置

Claims (6)

1. 映像を表示する映像表示部と、
   前記映像を透過及び反射の性質によって空中映像として入り口として開かれた開口部に結像させる空中結像光学系と、
   前記開口部を通過する対象が許可対象であるかを判別する認証部と
   を備えることを特徴とする空中映像表示装置。
2. 映像を表示する映像表示部と、
   前記映像を透過及び反射の性質によって空中映像として入り口として開かれた開口部に結像させる空中結像光学系と、
   前記空中映像をすり抜けた対象に対して映像を投影する映像投影部と
   を備えることを特徴とする空中映像表示装置。
3. 前記空中結像光学系は、入射光を透過光と反射光とに分離するビームスプリッタと、前記入射光を入射方向にそのまま反射する再帰性反射シートとを備える
   ことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。
4. 前記空中結像光学系は、２面コーナーリフレクタアレイである
   ことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。
5. 前記映像投影部は、前記空中映像と同程度のボケ、輝度低下、又はコントラスト低下処理が行われた映像を、前記空中映像をすり抜けた対象に対して投影する
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。
6. 前記映像投影部は、前記空中映像をすり抜けた対象の位置、又は形状に合わせて投影する映像を変化させる
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。

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