JP4656550B1 - 鋼材の材質判定装置及び鋼材の材質判定方法 - Google Patents

Abstract

鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを安定的に精度良く弁別することが可能なようにする。鋼材１８を摩擦した際に生じる火花を連続的に複数回撮像する撮像手段１１と、撮像手段が撮像した各撮像画像２から、鋼材に含有される合金成分が摩擦されることで生じた合金火花に対応する合金火花領域を検出する検出手段１２と、検出手段が検出した合金火花領域の総数を算出する算出手段１３と、算出された合金火花領域の総数が第１しきい値以上である場合、鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定し、算出された合金火花領域の総数が第１しきい値未満である場合、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であると判定する弁別手段１４とを備えることを特徴とする鋼材の材質判定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを弁別する鋼材の材質判定装置及び鋼材の材質判定方法に関する。

鋼材の炭素含有量の判定や、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかの弁別等を行う方法として、鋼材をグラインダ等で摩擦した際に生じる火花を検査員が目視で観察し、観察した火花の状態から検査員が前記の判定や弁別を行う方法が知られている。しかし、この方法は、判定結果や弁別結果が検査員の技量に依存するため、前記の判定や弁別の精度が安定せず、また、熟練した検査員が必要であるという問題がある。

上述の判定を安定的に精度良く行うことを目的とした鋼材検査装置が提案されている（例えば、日本国特許第３４８２２６５号公報参照）。しかし、日本国特許第３４８２２６５号の鋼材検査装置は、上述の弁別を安定的に精度良く行うことを目的としたものでないので、依然として、上述の弁別を安定的に精度良く行うことができる装置及び方法の開発が望まれている。

本発明は、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを安定的に精度良く弁別することが可能な鋼材の材質判定装置及び鋼材の材質判定方法を提供することを目的とする。

本発明は、鋼材を摩擦した際に生じる火花を連続的に複数回撮像する撮像手段と、前記撮像手段が撮像した各撮像画像から、前記鋼材に含有される合金成分が摩擦されることにより生じた合金火花に対応する合金火花領域を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した各撮像画像についての合金火花領域の数を全撮像画像について合計して、合金火花領域の総数を算出する算出手段と、前記総数が第１しきい値以上である場合、前記鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定し、前記総数が前記第１しきい値未満である場合、前記鋼材が炭素鋼からなる鋼材であると判定する弁別手段とを備え、前記検出手段は、前記各撮像画像を構成する１つの画素ラインについて、前記画素ラインに沿って互いに連続する第２しきい値以上の濃度を有する画素からなる火花候補画素群を検出する第１処理と、前記各火花候補画素群を構成する画素の最高濃度を検出し、該最高濃度未満であり且つ前記第２しきい値より大きい第３しきい値で前記各火花候補画素群を構成する画素を二値化することにより、前記各火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出する第２処理と、前記各撮像画像を構成する全画素ラインについて、前記第１処理と前記第２処理とを実行することにより、前記火花画素群を表した二値化画像を作成し、該二値化画像において連続する前記火花画素群を前記鋼材を摩擦した際に生じる火花に対応する火花領域と認定する第３処理と、前記第３処理にて認定された火花領域から、前記合金火花領域を検出する第４処理とを行い、前記第４処理は、前記第３処理にて認定された火花領域における火花の飛散方向前方側の端部の幅と前記飛散方向後方側の端部の幅との比に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第１判定パターンに該当するか否かを判定する判定処理と、前記判定処理にて前記第１判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出する検出処理とを含むことを特徴とする鋼材の材質判定装置を提供する。

鋼材を摩擦した際に生じる火花の種類として、合金成分が含有されている鋼材を摩擦した際にのみ生じる合金火花と、合金成分が全く含有されていない鋼材及び合金成分が含有されている鋼材の何れを摩擦した際であっても生じる通常火花とがある。炭素鋼からなる鋼材を摩擦した場合と低合金鋼からなる鋼材を摩擦した場合とを比較すると、生じる合金火花の数は低合金鋼からなる鋼材を摩擦した場合の方が多い。本発明に係る材質判定装置は、鋼材を摩擦した際に生じる火花の撮像画像から、合金火花の撮像画像が表わされた領域である合金火花領域を検出する。そして、合金火花領域の総数において、低合金鋼であるか炭素鋼であるかを判定する第１しきい値を設定し、本発明に係る材質判定装置は、検出した合金火花領域の総数が第１しきい値以上である場合は鋼材を低合金鋼からなる鋼材と判定し、第１しきい値未満である場合は鋼材を炭素鋼からなる鋼材と判定する。つまり、本発明に係る材質判定装置によれば、第１しきい値と、検出した合金火花領域の総数との大小関係に基づいて、鋼材が炭素鋼からなるのか低合金鋼からなるのかが自動的に弁別されることになる。このため、本発明に係る材質判定装置によれば、鋼材が炭素鋼からなるのか低合金鋼からなるのかの弁別結果が検査員の技量に依存せず、該弁別を安定的に行うことができる。また、低合金鋼からなる鋼材を摩擦した場合に生じる合金火花領域の総数と、炭素鋼からなる鋼材を摩擦した場合に生じる合金火花領域の総数とを予め調査し、調査結果に基づいて第１しきい値を設定すれば、本発明に係る材質判定装置は、精度良く前記の弁別が可能である。

鋼材を摩擦した際に生じる火花を撮像した撮像画像においては、上述の合金火花領域と、上述の通常火花の撮像画像が表わされた領域である通常火花領域と、合金火花領域及び通常火花領域のそれぞれの周辺に位置する周辺領域と、合金火花及び通常火花の背景の撮像画像が表わされた領域である背景領域とが存在する。以下、合金火花領域と通常火花領域とを総称して「火花領域」という。各火花領域は、各火花領域の周辺に位置する周辺領域より濃度が高く、背景領域は、何れの火花領域及び何れの周辺領域よりも濃度が低い。また、合金火花領域と通常火花領域とは形状が異なる。このため、撮像画像から合金火花領域を検出する手法として、濃度に基づいて撮像画像を二値化することにより撮像画像から火花領域を検出し、検出した火花領域の形状に基づいて火花領域から合金火花領域を検出する手法が考えられる。

しかし、火花の輝度は火花毎に異なるので、１枚の撮像画像に複数の火花に対応する複数の火花領域がある場合、火花領域間で濃度が異なる。また、火花領域の濃度が高ければ高いほど、その火花領域の周囲に位置する周辺領域の濃度が高くなる傾向にある。濃度の高い周辺領域の濃度は、濃度の低い火花領域よりも高くなる場合がある。このため、濃度が低い火花領域の濃度より低い濃度に前記の二値化用のしきい値を設定すると、濃度が高い周辺領域を構成する画素までもが検出される虞がある。一方、濃度が高い周辺領域の濃度より高い濃度に前記の二値化用のしきい値を設定すると、濃度が低い火花領域を構成する火花画素が検出されない虞がある。

ここで画素ラインとは、撮像画像の横方向、又は縦方向に撮像画像の一端側から他端側に直線状に繋がる画素の列であり、列の幅方向の画素数が１個のものをいう。
火花候補画素群とは、火花領域である可能性のある画素の群れをいう。
火花画素群とは、火花領域を示す画素の群れをいう。
第２しきい値とは、火花候補画素群を撮像画像から検出するために設定された画素の濃度のしきい値をいう。
第３しきい値とは、火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出するために設定された画素の濃度のしきい値をいう。
第１処理は、画素ラインに沿って互いに連続する第２しきい値以上の濃度を有する画素からなる火花候補画素群を検出する処理である。第２しきい値が採り得る上限値を、最も濃度が低い火花領域の濃度以下とすれば、画素ラインに沿って互いに連続する火花画素（火花領域を構成する画素）が火花候補画素群を構成する画素として検出される。また、第２しきい値が採り得る下限値を、最も濃度が高い背景領域の濃度より高くすれば、各背景領域を構成する画素が火花候補画素群を構成する画素として検出されることを排除できる。但し、上述のように、濃度の高い周辺領域の濃度は、濃度の低い火花領域よりも高くなる場合がある。このため、上述の上限値と下限値との間に第２しきい値を設定した場合、濃度が火花領域よりも高い周辺領域が存在すると、周辺領域を構成する画素が、火花候補画素群を構成する画素として検出される。

第２処理は、各火花候補画素群を構成する画素の最高濃度を検出し、該最高濃度未満であり且つ第２しきい値より高い第３しきい値で各火花候補画素群を構成する画素を二値化することにより、各火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出する処理である。火花領域は該火花領域の周辺に位置する周辺領域より検出用色成分の濃度が高い。火花候補画素群として、火花領域を構成する画素と該火花領域の周辺に位置する周辺領域を構成する画素とが火花候補画素群として検出されても、周辺領域を構成する画素の濃度と火花領域を構成する火花画素の濃度との間に第３濃度しきい値を設定することで、周辺領域を構成する画素が火花画素として検出されることを排除できる。即ち、これにより、撮像画像から火花画素を精度良く検出できる。

また、第２処理は、火花候補画素群毎に行われるため、各火花候補画素群に対して行われる第２処理毎に個別の第３しきい値を設定できる。このため、各火花候補画素群を構成する火花領域間で濃度が異なっていても、各火花候補画素群に対して行われる第２処理において、上述の範囲に第３しきい値を設定でき、各火花候補画素群から火花領域を構成する画素を、火花画素群を構成する画素として検出できる。

第３処理では、火花画素群を表した二値化画像が作成され、該二値化画像において火花画素群が連続したものが火花領域と認定される。上述のように、火花画素群は、火花領域を構成する画素から構成される。このため、第３処理にて火花領域と認定される火花画素群が連続したものも、火花領域を構成する画素から構成される。よって、第３処理により、火花領域を正確に検出できる。

第４処理は、第３処理にて認定された火花領域から合金火花領域を検出する処理である。第３処理により火花領域が正確に検出されるため、第４処理により、合金火花領域を精度良く検出できる。

合金火花においては、合金火花の飛散方向前方側の端部の幅と、該飛散方向後方側の端部の幅との比が所定の範囲内となる。第１判定パターンとは、合金火花の飛散方向前方側の端部の幅と、該飛散方向後方側の端部の幅との比が所定の範囲内であるかを判定するためのパターンである。このため、かかる好ましい構成によれば、合金火花領域を精度良く検出できる。

好ましくは、前記判定処理は、前記第３処理にて認定された火花領域が前記第１判定パターンに該当するか否かを判定すると共に、前記第３処理にて認定された火花領域の向きと該火花領域の前記飛散方向後方に存在する他の火花領域の向きとの関係、及び、前記他の火花領域の長さに基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第２判定パターンに該当するか否かも判定し、前記検出処理は、前記判定処理にて前記第１判定パターン及び前記第２判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出することを特徴とする。

合金火花の飛散方向後方には、他の火花が飛散する。該他の火花の向きと合金火花の向きとは所定の関係を有し、該他の火花の長さは、所定の範囲内となる。第２判定パターンとは、該他の火花の向きと合金火花の向きとが所定の関係を有し、該他の火花の長さが所定の範囲内であるかを判定するためのパターンである。このため、第１判定パターン及び第２判定パターンの両方に該当する火花領域は、第１判定パターンにのみ該当する火花領域に比べて、合金火花領域である可能性が高い。このため、かかる好ましい構成によれば、第１判定パターンに該当する火花領域を合金火花領域として検出する構成に比べて、合金火花領域を精度良く検出できる。

好ましくは、前記判定処理は、前記第３処理にて認定された火花領域が前記第１判定パターン及び前記第２判定パターンに該当するか否かを判定すると共に、前記第３処理にて認定された火花領域と前記他の火花領域との距離に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第３判定パターンに該当するか否かも判定し、前記検出処理は、前記判定処理にて前記第１判定パターンから前記第３判定パターンの全てに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出することを特徴とする。

合金火花と該合金火花の飛散方向後方の他の火花との距離は所定の範囲内となる。第３判定パターンとは、合金火花と該合金火花の飛散方向後方の他の火花との距離が所定の範囲内であるかを判定するためパターンである。このため、第１判定パターンから第３判定パターンの全てに該当する火花領域は、第１判定パターン及び第２判定パターンの両方に該当する火花領域に比べて、合金火花領域である可能性が高い。このため、かかる好ましい構成によれば、第１判定パターン及び第２判定パターンの両方に該当する火花領域を合金火花領域として検出する構成に比べて、合金火花領域を精度良く検出できる。

好ましくは、前記判定処理は、前記第３処理にて認定された火花領域が前記第１判定パターンに該当するか否かを判定すると共に、前記第３処理にて認定された火花領域と該火花領域の前記飛散方向後方に存在する他の火花領域との距離に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第３判定パターンに該当するか否かも判定し、前記検出処理は、前記判定処理にて前記第１判定パターン及び前記第３判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出することを特徴とする。

かかる好ましい構成では、第１判定パターン及び第３判定パターンに該当する火花領域を合金火花領域として検出する。このため、かかる好ましい構成によれば、第１判定パターンに該当する火花領域を合金火花領域として検出する構成に比べて、合金火花領域を精度良く検出できる。

好ましくは、前記弁別手段は、前記鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定する場合、該鋼材における合金成分の含有量を前記総数に基づいて判定することを特徴とする。

低合金鋼からなる鋼材を摩擦した際に生じる合金火花の総数は、合金成分の含有量が増加するほど多くなる。このため、かかる好ましい構成によれば、低合金鋼からなる鋼材の合金成分の含有量を判定できる。

また、本発明は、鋼材を摩擦した際に生じる火花を連続的に複数回撮像する撮像ステップと、前記撮像ステップにおいて撮像した各撮像画像から、前記鋼材に含有される合金成分が摩擦されることにより生じた合金火花に対応する合金火花領域を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出した各撮像画像についての合金火花領域の数を全撮像画像について合計して、合金火花領域の総数を算出する算出ステップと、前記総数が第１しきい値以上である場合、前記鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定し、前記総数が前記第１しきい値未満である場合、前記鋼材が炭素鋼からなる鋼材であると判定する弁別ステップとを含み、前記検出ステップは、前記各撮像画像を構成する１つの画素ラインについて、前記画素ラインに沿って互いに連続する第２しきい値以上の濃度を有する画素からなる火花候補画素群を検出する第１処理と、前記各火花候補画素群を構成する画素の最高濃度を検出し、該最高濃度未満であり且つ前記第２しきい値より大きい第３しきい値で前記各火花候補画素群を構成する画素を二値化することにより、前記各火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出する第２処理と、前記各撮像画像を構成する全画素ラインについて、前記第１処理と前記第２処理とを実行することにより、前記火花画素群を表した二値化画像を作成し、該二値化画像において連続する前記火花画素群を前記鋼材を摩擦した際に生じる火花に対応する火花領域と認定する第３処理と、前記第３処理にて認定された火花領域から、前記合金火花領域を検出する第４処理とを有し、前記第４処理は、前記第３処理にて認定された火花領域における火花の飛散方向前方側の端部の幅と前記飛散方向後方側の端部の幅との比に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第１判定パターンに該当するか否かを判定する判定処理と、前記判定処理にて前記第１判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出する検出処理とを有することを特徴とする鋼材の材質判定方法も提供する。

好ましくは、前記撮像ステップは、２．９４Ｎ以上９．８Ｎ以下の力で前記鋼材に押し付けられた摩擦部材で前記鋼材を摩擦した際に生じる火花を撮像することを特徴とする。

摩擦部材を鋼材に押し付ける力を２．９４Ｎ以上とすると、生じる合金火花の数が安定する。このため、かかる好ましい方法によれば、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを安定的に弁別できる。また、押し付け力を９．８Ｎ以下とすると、鋼材に深い傷を与えることなく鋼材を摩擦できる。このため、上述のかかる好ましい方法によれば、鋼材に深い傷を与えることなく、前記の弁別を安定的に精度良く行うことができる。

本発明は、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを安定的に精度良く弁別可能な鋼材の材質判定装置及び鋼材の材質判定方法を提供できる。

図１は、本実施形態の鋼材の材質判定装置の模式図である。 図２は、撮像手段が撮像した撮像画像の模式図である。 図３は、画素ラインＸの濃度分布を示すグラフである。 図４は、撮像画像の二値化画像を示す図である。 図５は、図４の二値化画像の火花領域ａ及び火花領域ｂ近傍の拡大図である。 図６は、対応領域の長手方向の濃度分布を示すグラフである。 図７は、炭素鋼からなる鋼材及び低合金鋼からなる鋼材をそれぞれ摩擦した際に生じた合金火花の数を示すグラフである。 図８は、グラインダの砥石の周速度を３０ｍ／ｓｅｃとして低合金鋼からなる３つの鋼材のそれぞれを摩擦した場合における、撮像手段の露光時間と、撮像画像に現れる火花領域の数を示すグラフである。 図９は、鋼材に対するグラインダの砥石の周面の押し付け力と、発生する火花の数及び鋼材に与える傷の深さとの関係を示すグラフである。

以下、本実施形態の鋼材の材質判定装置（以下、「材質判定装置」という）により、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを弁別することについて説明する。図１は、本実施形態の材質判定装置の模式図である。

図１に示すように、材質判定装置１は撮像手段１１を備える。鋼材１８に摩擦部材（本実施形態ではグラインダ１７）が押し付けられ、撮像手段１１は、摩擦によって鋼材１８から生じる火花１９を連続的に撮像する。ここでは、グラインダ１７に備えられた円盤状の砥石１７１の周面が、鋼材１８に押し付けられる。砥石１７１の周面を鋼材１８に押し付ける力は、２．９４Ｎ以上９．８Ｎ以下である。鋼材１８を摩擦する際のグラインダ１７の砥石１７１の周速度は、３０ｍ／ｓｅｃである。また、撮像手段１１の露光時間は、５０ｍｓｅｃである。また、撮像手段１１は、１ｓｅｃ間に、５０ｍｓｅｃの間隔で火花１９を２０回連続的に撮像する。また、鋼材１８には、合金成分としてＭｏが含有されている。合金成分としてＭｏが含有された鋼材１８を摩擦した際に生じる火花１９の種類は、合金火花と通常火花とがある。合金火花は、合金成分としてＭｏが含有されている鋼材を摩擦した際に生じる火花である。通常火花は、合金成分としてＭｏが全く含有されていない鋼材及び合金成分としてＭｏが含有されている鋼材の何れを摩擦した際であっても生じる火花である。

図２は、撮像手段１１が撮像した撮像画像２の模式図である。図２における右向き（矢印Ｚの向き）は、図１の矢印Ｙの向きに対応する向きである。矢印Ｙの向きは、砥石１７１の周面の部位のうち、鋼材１８に押し付けられている部位の接線に沿い、且つ、該部位から遠ざかる向きである。撮像画像２は、図２の左右方向にＮ個の画素が配列された画素ラインが図２の上下方向にＭ個配列されて構成されている。撮像画像２には、合金火花に対応する合金火花領域と、通常火花に対応する通常火花領域と、合金火花領域及び通常火花領域のそれぞれの周辺に位置する周辺領域と、合金火花及び通常火花の背景の撮像画像が表わされた領域である背景領域とが存在する。図２においては、火花領域（合金火花領域と通常火花領域との総称）が黒色で表され、周辺領域が灰色で表され、背景領域が白色で表されている。尚、図２の黒色の領域のうち、参照符号２４で示す黒色の領域が合金火花領域であり、他の黒色の領域は通常火花領域である。

撮像手段１１は、上述のように撮像した全撮像画像２を検出手段１２に入力する。

検出手段１２は、撮像画像２が撮像手段１１から入力されると、全撮像画像２の全画素ラインについて第１処理を行う。第１処理は、画素ライン毎に行われる。第１処理は、連続する第２しきい値以上の濃度を有する画素からなる火花候補画素群を第１処理の対象となる画素ラインから検出する処理である。

以下、画素ラインＸ（図２参照）について行われる第１処理について説明する。図３は、画素ラインＸ（図２参照）の濃度分布を示すグラフである。図２に示すように、画素ラインＸ上には、火花領域２１、２２、２３、及び、それぞれの火花領域２１、２２、２３の周辺に位置する周辺領域２１’、２２’、２３’が存在する。

図３に示すように、各火花領域２１、２２、２３は、各火花領域２１、２２、２３の周辺に位置する周辺領域２１’、２２’、２３’よりも濃度が高い。また、背景領域２０は、何れの火花領域２１、２２、２３及び何れの周辺領域２１’、２２’、２３’よりも濃度が低い。火花領域２１、２２、２３の濃度は、それぞれ異なっている。また、周辺領域２１’、２２’、２３’における濃度は、火花領域２１、２２、２３に近いほど高い。

尚、図３に示すように、画素Ｘ０と、画素Ｘ０の図での右側に存在する画素Ｘ２との間に位置する画素、及び、画素Ｘ２よりも図での右側に存在する画素Ｘ３と、画素Ｘ３の図での右側に存在する画素Ｘ６との間に位置する画素は、周辺領域２１’を構成する画素である。また、画素Ｘ２と画素Ｘ３との間に位置する画素（画素Ｘ２と画素Ｘ３とを含まない）は、火花領域２１を構成する画素である。

上述の第１処理の際には、検出手段１２は、まず、画素ラインＸを構成する画素について、画素ラインＸの一方側（本実施形態では、図３の左側）の端部に近い画素から他方側に順に、濃度が第２しきい値ＴＨ２以上であるか否を判定する。この第２しきい値ＴＨ２は、撮像画像２に存在する何れかの火花領域を構成する各画素が有する濃度のうち最低の濃度以下であり、且つ、背景領域を構成する各画素が有する濃度のうち最高の濃度より高い濃度である。第２しきい値ＴＨ２を上記の範囲内の値に設定する方法としては、例えば、火花が生じていないときに撮像手段１１が撮像した撮像画像２を構成する各画素が有する濃度のうち最高の濃度を若干上回る濃度を第２しきい値に設定する方法が挙げられる。

図３に示すように、画素ラインＸを構成する画素であって、濃度が第２しきい値ＴＨ２以上である画素のうち、画素ラインＸの一方側の端部に最も近い画素は、画素Ｘ０と画素Ｘ２との間に位置する画素Ｘ１である。このため、検出手段１２は、濃度が第２しきい値ＴＨ２以上の画素として画素Ｘ１を最初に検出する。検出手段１２は、最初に検出した画素Ｘ１を火花候補画素群の検出が開始される画素である始点画素に認定する。

画素Ｘ１を始点画素に認定すると、検出手段１２は、始点画素Ｘ１よりも画素ラインＸの他方側に存在する画素について、始点画素Ｘ１に近い画素から順に、濃度が第２しきい値ＴＨ２未満であるか否かを判定する。図３に示すように、始点画素Ｘ１よりも画素ラインＸの他方側に存在する画素の中では、濃度が第２しきい値ＴＨ２未満の画素のうち、始点画素Ｘ１に最も近い画素は、画素Ｘ３と画素Ｘ６との間に位置する画素Ｘ５である。このため、検出手段１２は、濃度が第２しきい値ＴＨ２未満の画素として、画素Ｘ５を最初に検出する。検出手段１２は、検出した画素Ｘ５の画素ラインＸの一方側において該画素Ｘ５に隣接する画素Ｘ４を火花候補画素群の検出が終了される画素である終点画素に認定する。検出手段１２は、始点画素Ｘ１と終点画素Ｘ４との間に存在する各画素から構成される画素群を火花候補画素群３１（図３参照）として検出する。

以上のような範囲に第２しきい値ＴＨ２を設定すると、背景領域２０を構成する画素が第２しきい値ＴＨ２未満となり、背景領域２０を構成する画素が火花候補画素群３１を構成する画素として検出されることを排除できると共に、火花領域２１、２２、２３を構成する画素が火花候補画素群を構成する画素として検出される。

火花候補画素群３１を検出すると、検出手段１２は、終点画素Ｘ４よりも画素ラインＸの他方側に存在する画素の中から、始点画素及び終点画素を認定して、他の火花候補画素群を検出する。尚、本実施形態では、検出手段１２は、火花領域２２を構成する画素と周辺領域２２’を構成する画素とから構成される火花候補画素群３２、及び、火花領域２３を構成する画素と周辺領域２３’を構成する画素とから構成される火花候補画素群３３を検出したものとする。

検出手段１２は、全撮像画像２の全画素ラインについて第１処理を終えると、全火花候補画素群について第２処理を行う。第２処理は、火花候補画素群毎に行われる。第２処理は、各火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出する処理である。

以下、火花候補画素群３１について行われる第２処理について説明する。検出手段１２は、図３に示すように、火花候補画素群３１を構成する画素の最高濃度Ｃｍａｘ１未満であり、且つ、第２しきい値ＴＨ２を超える第３しきい値ＴＨ３１によって、火花候補画素群３１を構成する画素を二値化する。検出手段１２は、濃度が第３しきい値ＴＨ３１以上である画素を、火花画素群３４を構成する画素として検出する。本実施形態では、第３しきい値ＴＨ３１は、周辺領域２１’を構成する各画素が有する濃度のうち最高の濃度より高く、火花領域２１を構成する各画素が有する濃度のうち最低の濃度以下の濃度に設定されている。このため、火花領域２１を構成する全画素が火花画素群３４を構成する画素として検出され、周辺領域２１’を構成する画素は、火花画素群３４を構成する画素として検出されない。火花画素群３４は、火花画素２１を構成する画素から構成される。

また、第２処理は、火花候補画素群毎に行われるため、各火花候補画素群に対して行われる第２処理毎に個別の第３しきい値を設定できる。このため、各火花候補画素群を構成する火花領域の濃度が異なっていても、各火花候補画素群に対して行われる第２処理において、火花領域と周辺領域との間に第３しきい値を設定でき、各火花候補画素群から火花領域を構成する画素を検出できる。

検出手段１２は、第２処理を終えると、第３処理を行う。第３処理では、まず、各撮像画像２から各撮像画像２の二値化画像が作成される。各撮像画像２の二値化画像は、撮像手段１１から入力された各撮像画像２を構成する画素のうち、第２処理にて火花画素群を構成する画素として検出された画素とそれ以外の画素とが黒色及び白色に二値化された画像である。図４は、図２の撮像画像２の二値化画像５である。図４において、火花画素群を構成する画素として検出された画素は、黒色で表され、火花画素群を構成する画素として検出されなかった画素は、白色で表されている。

各撮像画像２の二値化画像５を作成すると、検出手段１２は、各撮像画像２の二値化画像５において、互いに連続する火花画素群を、鋼材１８を摩擦した際に生じる火花に対応する火花領域ａ〜ｊと認定する。火花領域ａ〜ｊの認定は、二値化画像５にラベリング処理を施して、火花画素群の塊を検出し、検出した塊を１つの火花領域として認定することで行う。前述のように、火花画素群は、火花領域を構成する画素から構成される。このため、第３処理にて火花領域と認定される火花画素群が連続したものも、火花領域を構成する画素から構成される。このため、第３処理により、火花領域が正確に検出される。

検出手段１２は、第３処理を終えると、第３処理にて認定された全火花領域について第４処理を行う。第４処理は、第３処理にて認定された火花領域毎に行われる。以下では、第３処理にて認定された火花領域ａ〜ｊ（図４参照）について行われる第４処理について説明する。

検出手段１２は、まず、各火花領域ａ〜ｊを構成する画素数を算出する。検出手段１２は、火花領域ａ〜ｊの中から、画素数が所定数未満（例えば、１２５画素未満）の火花領域を抽出する。図４に示すように、火花領域ｃ、ｄ、ｅ、ｈは面積が大きく、所定数以上の画素数から構成されている。従って、ここでは、火花領域ａ、ｂ、ｆ、ｇ、ｉ、ｊが抽出されたものとする。

次に、検出手段１２は、抽出した火花領域の中から、長さが所定未満の火花領域を抽出する。火花領域の長さは、例えば、火花領域を構成する画素のうち、図中の最も左側に存在する画素と最も右側に存在する画素との距離とすることができる。図４に示すように、火花領域ｆ、ｉは長く、ここでは、火花領域ａ、ｂ、ｇ、ｊが抽出されたものとする。

次に、検出手段１２は、抽出した（長さが所定未満の）火花領域における火花の飛散方向前方側の端部（以下、「前端部」という。）の幅と、該飛散方向後方側の端部（以下、「後端部」という。）の幅とを算出し、第１判定パターンに該当するか否かを判定する。図４の二値化画像５において、火花の飛散方向前方側とは右側であり、火花の飛散方向後方側とは左側である。また、前端部とは、例えば、火花領域を構成する画素のうち、二値化画像５において右側に存在する画素から構成される部分である。また、後端部とは、例えば、火花領域を構成する画素のうち、二値化画像５において左側に存在する画素から構成される部分である。また、前端部及び後端部の幅とは、例えば、前端部の中央部と、後端部の中央部とを通る直線に対して直交する方向の前端部及び後端部の寸法である。火花領域ａを例として説明すると、検出手段１２は、前端部の幅Ｌ０１と後端部の幅Ｌ０２と比に基づいて、第１判定パターンに該当するか否かを判定する。本実施形態では、検出手段１２は、後端部の幅Ｌ０２に対する前端部の幅Ｌ０１の比が予め定められた所定値（例えば０．４）以下である場合、第１判定パターンに該当すると判定する。図４に示すように、火花領域ａは、前端部及び後端部の幅に差が無いため、第１判定パターンに該当しないと判定され、火花領域ｂ、ｇ、ｊのみが第１判定パターンに該当すると判定されたものとする。

前述のように、合金成分としてＭｏが含有されている鋼材を摩擦した際に生じる合金火花の形状は、槍状である。槍状とは、火花の飛散方向前方側に位置する前端部よりも火花の飛散方向後方側に位置する後端部の方が幅が大きい形状を意味する。従って、第１判定パターンと判定された火花領域は、合金火花領域である可能性が高い。

尚、合金火花は、大きさが小さく、且つ、長さが短い。このため、画素数が多い火花領域や長さが長い火花領域は、合金火花領域の可能性が小さい。上述のように、所定数未満の画素数で構成され、且つ、長さが所定未満の火花領域にのみ第１判定パターンに該当するか否かを判定することで、迅速、且つ、少ない計算量で、合金火花領域の可能性が高い火花領域を検出できる。

検出手段１２は、第１判定パターンに該当すると判定した火花領域が第２判定パターンにも該当するか否かを判定する。以下、火花領域ｂについて行われる該判定について説明する。まず、二値化画像５において、火花領域ｂより左側（火花の飛散方向後方側）に所定の長さの他の火花領域が存在するか否かを判定する。図５は、図４の二値化画像５の火花領域ａ及び火花領域ｂ近傍の拡大図である。ここでの火花領域ｂより左側とは、例えば、図５に示すように、火花領域ｂより左側であって、第１区画直線Ｌ１及び第２区画直線Ｌ２で挟まれた左側の領域を意味する。第１区画直線Ｌ１は、火花領域ｂの前端部の幅方向中央部６１と、後端部の幅方向中央部６２とを通る直線Ｌと平行であり、且つ、該直線Ｌと直交する方向の一方向側において、該直線Ｌと最も離れた火花領域ｂの部位６４を通る直線である。第２区画直線Ｌ２は、前記の直線Ｌと平行であり、且つ、該直線Ｌと直交する方向の他方向側において、該直線Ｌと最も離れた火花領域ｂの部位６５を通る直線である。また、火花領域ｂより左側に存在するとは、第１区画直線Ｌ１及び第２区画直線Ｌ２で挟まれ、且つ火花領域ｂの左側の領域に、全体が収まる事を意味する。図５に示すように、火花領域ａは、火花領域ｂの左側であって第１区画直線Ｌ１と第２区画直線Ｌ２とに挟まれた左側の領域に全体が収まっている。また、火花領域ａは、所定の長さ（合金火花の飛散方向後方において合金火花に追従するように飛散する火花の長さに対応する長さ）を有するものとする。従って、検出手段１２は、火花領域ｂより左側に所定の長さの他の火花領域ａが存在すると判定する。

火花領域ｂより左側に所定の長さの他の火花領域ａが存在すると判定すると、検出手段１２は、火花領域ｂの向きと火花領域ａの向きとの関係に基づいて、火花領域ｂが第２判定パターンにも該当するか否かを判定する。火花領域ｂの向きは、例えば、上述の直線Ｌの向きである。他の火花領域ａの向きは、例えば、火花領域ａを構成する画素のうち、最も左側に存在する画素と最も右側に存在する画素とを通る直線Ｌ３の向きである。

火花領域ｂの向きと他の火花領域ａの向きとの関係の１つの具体例としては、火花領域ｂの向きと他の火花領域ａの向きとの成す角度が挙げられる。この場合、成す角度が所定の角度以下である場合、検出手段１２は、火花領域ｂが第２判定パターンにも該当すると判定する。

尚、ここでは、火花領域ｂの向きと他の火花領域ａの向きとの成す角度は、所定の角度以下であり、検出手段１２は、火花領域ｂが第２判定パターンにも該当すると判定する。

また、火花領域ｂの向きと他の火花領域ａの向きとの関係の他の具体例としては、火花領域ｂの向きと所定の向きとの成す角度θに対する、火花領域ｂの向きと他の火花領域ａの向きとの成す角度θ’の割合が挙げられる。この場合、前記割合が所定の値以下（例えば、０．３以下）である場合、検出手段１２は、火花領域ｂが第２判定パターンにも該当すると判定する。尚、所定の向きとは、例えば、二値化画像５における右向き、即ち、砥石１７１の周面の部位のうち、鋼材１８に押し付けられている部位の接線に沿い、且つ、該部位から遠ざかる方向である。

合金火花の飛散方向後方には、他の火花が合金火花に追従するように飛散する。この他の火花の向きと合金火花の向きとの成す角度は所定の範囲内であり、また他の火花の長さは、所定の範囲内となる。このため、第２判定パターンにも該当すると判定された火花領域は、第１判定パターンにのみ該当すると判定された火花領域よりも、合金火花領域の可能性が高い。尚、ここでは、火花領域ｊも火花領域ｂと同様に、第２判定パターンに該当すると判定されたものとする。一方、火花領域ｇは、他の火花領域ｆの全体が火花領域ｇの左側であるが、第１区画直線Ｌ１１と第２区画直線Ｌ１２とに挟まれた左側の領域に収まっていないので、第２判定パターンに該当しないと判定されたものとする。

検出手段１２は、第２判定パターンにも該当すると判定した火花領域が第３判定パターンにも該当するか否かを判定する。以下、火花領域ｂについて行われる該判定について説明する。まず、検出手段１２は、図２に示す撮像画像２の中から、図５に示す第１区画直線Ｌ１及び第２区画直線Ｌ２で挟まれ、且つ、火花領域ｂの前端部から火花の飛散方向後方に所定の距離だけ延びる直線状領域と対応する対応領域Ｐ（図２参照）を認識する。尚、この直線状領域は、少なくとも、火花領域ｂの後端部よりも飛散方向後方にまで延びている。検出手段１２は、対応領域Ｐの長手方向（第１区画直線Ｌ１及び第２区画直線Ｌ２と平行な方向に対応する方向）における対応領域Ｐの濃度分布を算出する。図６は、該濃度分布を示す。検出手段１２は、該濃度分布から対応領域Ｐの長手方向における平均濃度を算出する。検出手段１２は、算出した平均濃度に所定量の濃度を加算又は減算した修正濃度を算出する。検出手段１２は、対応領域Ｐの中から、火花領域ｂの後端部に対応する部分を認識する。検出手段１２は、認識した後端部に対応する部分から後方において、濃度が修正濃度未満である区間の長さＷが所定の範囲内である場合には火花領域ｂが第３判定パターンにも該当すると判定し、濃度が修正濃度未満である区間の長さＷが所定の範囲内でない場合には火花領域ｂが第３判定パターンに該当しないと判定する。

前述の他の火花は、合金火花の飛散方向後方に合金火花と若干離れて飛散する。このため、合金火花領域の火花の飛散方向後方においては、若干の距離に対応する距離だけ濃度が低い区間が存在する。このため、第３判定パターンにも該当すると判定された火花領域は、第１判定パターン及び第２判定パターンにのみ該当すると判定された火花領域よりも、合金火花領域である可能性が高い。

ここでは、図２に示すように、火花領域ｂの火花の飛散方向後方には、火花領域ａが若干離れて存在している。このため、ここでは、火花領域ｂは第３パターンにも該当すると検出手段１２によって判定されたものとする。一方、図４に示すように、火花領域ｊと火花領域ｉとは距離が大きく離れているので、ここでは、火花領域ｊは第３パターンには該当しないと検出手段１２によって判定されたものとする。

以上のように、検出手段１２は、火花領域ａ〜ｊのうち、第１判定パターンから第３判定パターンの全てに該当すると判定した火花領域ｂ（図２の火花領域２４に対応する火花領域）を合金火花領域として検出する。

算出手段１３は、以上のように検出手段１２が検出した各撮像画像についての合金火花領域の数を全撮像画像について合計して、合金火花領域の総数を算出する。

弁別手段１４は、算出手段１３が算出した火花領域の総数が第１しきい値以上である場合、鋼材１８が低合金鋼からなる鋼材であると判定し、前記の総数が第１しきい値未満である場合、鋼材１８が炭素鋼からなる鋼材であると判定する。尚、低合金鋼とは、次の条件１〜４のうち少なくとも１つの条件を満たす鋼のうち、Ｃｒの含有率が２％未満の鋼を意味する。
条件１：Ｃｒの含有率が０．５％以上であること。
条件２：Ｎｉの含有率が０．５％以上であること。
条件３：Ｍｏの含有率が０．２５％以上であること。
条件４：Ｃｕの含有率が０．２５％以上であること。
また、炭素鋼とは、条件１〜４の全ての条件を満たさない鋼を意味する。

図７は、炭素鋼からなる鋼材の４つのサンプルについて算出手段１３によって算出された合金火花領域の総数と、低合金鋼からなる鋼材の５つのサンプルについて算出手段１３によって算出された合金火花領域の総数とを示すグラフである。図７に示すように、炭素鋼からなる鋼材を摩擦した際と低合金鋼からなる鋼材を摩擦した際とでは、合金火花領域（合金火花）の数は低合金鋼からなる鋼材の方が多い。従って、低合金鋼からなる鋼材を摩擦した場合に生じる合金火花領域の総数と、炭素鋼からなる鋼材を摩擦した場合に生じる合金火花領域の総数との間の数に第１しきい値を設定すれば、材質判定装置１は、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを弁別できる。このため、材質判定装置１によれば、前記の弁別結果が検査員の技量に依存せず、該弁別を安定的に行うことができる。

また、弁別手段１４は、鋼材１８が低合金鋼からなる鋼材であると判定する場合、該鋼材１８における合金成分の含有率を算出手段１３が算出した合金火花領域の総数に基づいて判定する。図７に示すように、低合金鋼からなる鋼材を摩擦した際に生じる合金火花の総数は、Ｍｏの含有率が増加するほど多くなる。このため、材質判定装置１は、鋼材１８が低合金鋼からなる鋼材である場合、低合金鋼からなる鋼材の合金成分の含有率を判定できる。具体的にいえば、炭素鋼及び低合金鋼からなる鋼材の合金成分の含有率と合金火花の総数との相関が複数のサンプルを用いて予め調査され、合金火花の総数から合金成分の含有率を算出する相関式が求められる。そして、この相関式に基づいて、鋼材の合金火花の総数から合金成分の含有率を判定する。

弁別手段１４は、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかの弁別結果及び低合金鋼からなる鋼材の合金成分の含有率について、モニタ等の結果表示手段１５に表示したり、ハードディスクやメモリ等の記憶手段１６に記憶させる。

撮像手段２の好ましい露光時間は、砥石の周速度が３０ｍ／ｍｓｅｃの場合、１５ｍｓｅｃから２５０ｍｓｅｃの範囲内の時間である。前記の範囲より露光時間が短いと、撮像画像２上において火花領域が小さくなる。このため、図８に示すように、撮像画像２から合金火花領域を検出することが困難となる。一方、前記の範囲より露光時間が長いと、火花領域が重なり、火花領域を１つずつ区別できなくなり、撮像画像２から火花領域を正確に検出することが困難となる。また、検査員が火花を目視で観察して行う上述の弁別では、検査員は、残像効果により合金火花を視認していると考えられる。合金火花を目視により検査員が認識するのと同様に、撮像画像に合金火花が写るようにするには、露光時間を残像効果が生じる時間（５０〜２５０ｍｓｅｃ）と同等にするのが好ましい。

前述のように、本実施形態では、砥石１７１の周面が鋼材１８に押し付けられる力は、２．９４Ｎ以上９．８Ｎ以下である。砥石１７１の周面が鋼材１８に押し付けられる力を２．９４Ｎ以上とすると、図９に示すように、生じる合金火花の数が安定する。このため、本実施形態によれば、鋼材が炭素鋼からなる鋼材であるか低合金鋼からなる鋼材であるかを安定的に精度良く弁別できる。また、押し付けられる力を９．８Ｎ以下とすると、図９に示すように、鋼材１８に深い傷を与えることなく鋼材１８を摩擦できる。このため、本実施形態によれば、鋼材１８に深い傷を与えることなく、前記弁別を安定的に精度良く行うことができる。

以上においては、第１判定パターンから第３判定パターンの全てに該当する火花領域についてのみ合金火花領域として検出しているが、第１判定パターンに該当する火花領域、第１判定パターン及び第２判定パターンに該当する火花領域、又は、第１判定パターン及び第３判定パターンに該当する火花領域を合金火花領域として検出してもよい。

Claims (7)

1. 鋼材を摩擦した際に生じる火花を連続的に複数回撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段が撮像した各撮像画像から、前記鋼材に含有される合金成分が摩擦されることにより生じた合金火花に対応する合金火花領域を検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出した各撮像画像についての合金火花領域の数を全撮像画像について合計して、合金火花領域の総数を算出する算出手段と、
   前記総数が第１しきい値以上である場合、前記鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定し、前記総数が前記第１しきい値未満である場合、前記鋼材が炭素鋼からなる鋼材であると判定する弁別手段とを備え、
   前記検出手段は、前記各撮像画像を構成する１つの画素ラインについて、前記画素ラインに沿って互いに連続する第２しきい値以上の濃度を有する画素からなる火花候補画素群を検出する第１処理と、
   前記各火花候補画素群を構成する画素の最高濃度を検出し、該最高濃度未満であり且つ前記第２しきい値より大きい第３しきい値で前記各火花候補画素群を構成する画素を二値化することにより、前記各火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出する第２処理と、
   前記各撮像画像を構成する全画素ラインについて、前記第１処理と前記第２処理とを実行することにより、前記火花画素群を表した二値化画像を作成し、該二値化画像において連続する前記火花画素群を前記鋼材を摩擦した際に生じる火花に対応する火花領域と認定する第３処理と、
   前記第３処理にて認定された火花領域から、前記合金火花領域を検出する第４処理とを行い、
   前記第４処理は、前記第３処理にて認定された火花領域における火花の飛散方向前方側の端部の幅と前記飛散方向後方側の端部の幅との比に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第１判定パターンに該当するか否かを判定する判定処理と、
   前記判定処理にて前記第１判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出する検出処理とを含むことを特徴とする鋼材の材質判定装置。
2. 前記判定処理は、前記第３処理にて認定された火花領域が前記第１判定パターンに該当するか否かを判定すると共に、前記第３処理にて認定された火花領域の向きと該火花領域の前記飛散方向後方に存在する他の火花領域の向きとの関係、及び、前記他の火花領域の長さに基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第２判定パターンに該当するか否かも判定し、
   前記検出処理は、前記判定処理にて前記第１判定パターン及び前記第２判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出することを特徴とする請求項１に記載の鋼材の材質判定装置。
3. 前記判定処理は、前記第３処理にて認定された火花領域が前記第１判定パターン及び前記第２判定パターンに該当するか否かを判定すると共に、前記第３処理にて認定された火花領域と前記他の火花領域との距離に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第３判定パターンに該当するか否かも判定し、
   前記検出処理は、前記判定処理にて前記第１判定パターンから前記第３判定パターンの全てに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出することを特徴とする請求項２に記載の鋼材の材質判定装置。
4. 前記判定処理は、前記第３処理にて認定された火花領域が前記第１判定パターンに該当するか否かを判定すると共に、前記第３処理にて認定された火花領域と該火花領域の前記飛散方向後方に存在する他の火花領域との距離に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第３判定パターンに該当するか否かも判定し、
   前記検出処理は、前記判定処理にて前記第１判定パターン及び前記第３判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出することを特徴とする請求項１に記載の鋼材の材質判定装置。
5. 前記弁別手段は、前記鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定する場合、該鋼材における合金成分の含有率を前記総数に基づいて判定することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の鋼材の材質判定装置。
6. 鋼材を摩擦した際に生じる火花を連続的に複数回撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップにおいて撮像した各撮像画像から、前記鋼材に含有される合金成分が摩擦されることにより生じた合金火花に対応する合金火花領域を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにおいて検出した各撮像画像についての合金火花領域の数を全撮像画像について合計して、合金火花領域の総数を算出する算出ステップと、
   前記総数が第１しきい値以上である場合、前記鋼材が低合金鋼からなる鋼材であると判定し、前記総数が前記第１しきい値未満である場合、前記鋼材が炭素鋼からなる鋼材であると判定する弁別ステップとを含み、
   前記検出ステップは、前記各撮像画像を構成する１つの画素ラインについて、前記画素ラインに沿って互いに連続する第２しきい値以上の濃度を有する画素からなる火花候補画素群を検出する第１処理と、
   前記各火花候補画素群を構成する画素の最高濃度を検出し、該最高濃度未満であり且つ前記第２しきい値より大きい第３しきい値で前記各火花候補画素群を構成する画素を二値化することにより、前記各火花候補画素群を構成する画素から火花画素群を構成する画素を検出する第２処理と、
   前記各撮像画像を構成する全画素ラインについて、前記第１処理と前記第２処理とを実行することにより、前記火花画素群を表した二値化画像を作成し、該二値化画像において連続する前記火花画素群を前記鋼材を摩擦した際に生じる火花に対応する火花領域と認定する第３処理と、
   前記第３処理にて認定された火花領域から、前記合金火花領域を検出する第４処理とを有し、
   前記第４処理は、前記第３処理にて認定された火花領域における火花の飛散方向前方側の端部の幅と前記飛散方向後方側の端部の幅との比に基づいて、前記第３処理にて認定された火花領域が第１判定パターンに該当するか否かを判定する判定処理と、
   前記判定処理にて前記第１判定パターンに該当すると判定された火花領域を前記合金火花領域として検出する検出処理とを有することを特徴とする鋼材の材質判定方法。
7. 前記撮像ステップは、２．９４Ｎ以上９．８Ｎ以下の力で前記鋼材に押し付けられた摩擦部材で前記鋼材を摩擦した際に生じる火花を撮像することを特徴とする請求項６に記載の鋼材の材質判定方法。

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