JP4750850B2 - 並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサおよび方法 - Google Patents

並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は、並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサおよび方法に関するものである。
中央値フィルタリングは、信号を円滑化と、インパルス雑音の抑制と、エッジの保存とのための非線形信号機能強化技術である。中央値フィルタリングは、伝達される信号の奇数要素に表示をスライドさせるものと、表示の中においてサンプルの中央値に中央サンプルを置き換えるものとで構成されている。表示の中のサンプルの中央値mは、表示の中の半分がmよりも小さい値をもつとともに表示の中の他方の半分がmよりも大きい値を持つ場合の値である。一次元中央値フィルタでは、3つのサンプルP1,P2,P3を持っている。その中央値は、3つのサンプルを選り分けること(ソート)と、中央値としての中央点を選定することとによって取得される。簡便な手法では、第1段階において、P2がP3と比較される。第2段階では、第1段階の最小値がP1と比較されて、第2段階の最小値がPMINとされる。第3段階では、第2段階の最大値出力が第1段階の最大値と比較される。第3段階の最大値出力はPMAXであるとともに、第3段階の最小値出力はPMEDである。この手法の一つの欠点は、3つの段階が順次に動作するということである。この手法では中央値を得るために3サイクルの動作を必要とする。この手法の他の欠点は、パイプライン失速(stall)を引き起こす非常にパイプライン化された装置によって、それぞれの選り分け動作(2つのサンプルの間で最小値および最大値を得る)が一つ前の結果に依存し、作業を再開する前に障害命令の完了を待つためにパイプラインが停止するということである。完全な並列手段は、複数の順次動作問題を緩和するために専用ASICを使用するものであり、限定的な機能ハードウェアを追加して実施するが、このハードウェアは恒久的にDSPに付属するものであるが時々必要とされるだけのものである。DSPに並列手段を適用する試みでは、FIR動作およびFFT動作で生じるような乗累算動作についての最適化を追求することができない。なぜならば、典型的なDSPでは、演算部に中央値フィルタが使用されており、2つのNビット数の乗算の結果がNビットの1つの数でメモリに記憶されるという事実のために、結果バスが入力バスの半分の幅だけあるからである。しかしながら、中央値フィルタでは、3,5…入力が単に選り分けられて、同じ数の出力をもたらす。
したがって、本発明の目的は、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、従来の中央値フィルタよりも高速であってASICまたはFPGAを追加する必要がない、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、2入力、1出力となっている従来の演算部バス構造と互換性がある、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、3タップ中央値フィルタについて2つの並列独立命令に分解する、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、分解された命令間のパイプライン依存関係を取り除く、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、並列中央値フィルタリングに必要とされる限定的な機能ハードウェアを回避することによってプロセッサの不機能エリアを低減する、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、従来のプロセッサの既存のハードウェア構成を使用することができる、並列中央値フィルタリングに基づいた改良命令を有するプロセッサおよび方法を提供することである。
本発明は、中央値フィルタリングに基づいた改良命令が従来の中央値フィルタよりも高速であるという認識から生じるものであり、独立パイプラインである限定的な機能ASICまたはFPGAを追加する必要がなく、1入力の演算部バス構造が入力をそれぞれ結合された組について大きい数と小さい数とに並列に選り分けるによって実現することができ、前記選り分けによって前記入力の最小フィルタ値と最大フィルタ値と中間フィルタ値とを決定し、1つの命令に対応して最大フィルタ値と最小フィルタ値と中央フィルタ値とのうちの少なくとも1つを提示するとともに他の命令に対応してその他の値を提示する判定回路を有効にするためにパイプライン独立分解命令を使用する。
しかしながら、本発明の対象は、他の実施形態において、上記の全ての目的を実現する必要はなく、本願の特許請求の範囲は上記目的を達成できる構成および方向に限定されるべきではない。
本発明は、中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサであって、複数の入力を受信するとともに、それぞれ結合された入力の組を大きい数と小さい数に並列に選り分け処理するための比較回路と、前記入力の組の選り分け処理に応じて前記入力の最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とを決定する判定回路とを有する演算部と、を有することを特徴としている。プログラムシーケンサは、前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とのうちの少なくとも1つを提示すために前記判定回路を有効にする命令を出力する。
比較部の好適実施形態としては、入力の各組を比較するコンパレータ回路を有することとしてもよい。各コンパレータ回路は、各入力の組について減算する減算回路を有することとしてもよい。各組の大きい数および小さい数は、相互に異なる信号で示されることとしてもよい。前記判定回路は、前記異なる信号のパターンに応じて中央フィルタ値を提示する論理回路を有することとしてもよい。前記判定回路は、前記異なる信号のパターンに応じて最大フィルタ値と最小フィルタ値と中央フィルタ値とを提示する論理回路を有することとしてもよい。前記プログラムシーケンサは、一つの前記最大フィルタ値と最小フィルタ値と中央フィルタ値とを提示するために前記判定回路を有効にする一つの命令を出力するとともに、前記フィルタ値とは別の値を提示するための他の命令を出力することとしてもよい。3つの入力としてもよい。
また、本発明は、プロセッサの演算部において並列中央値フィルタリングに基づいた命令をする方法であって、それぞれ結合された入力の組を大きい値と小さい値に並列に選り分け処理するステップと、前記選り分け処理のステップに基づいて前記入力の最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とを決定するステップとを有することを特徴とする。前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とのうちの少なくとも1つの提示するための命令を使用する。
好適実施形態としては、一つの命令に対応して最大フィルタ値と最小フィルタ値と中央フィルタ値とのうちの少なくとも1つの提示を可能にする分解された命令と、他の命令に対応して前記のフィルタ値とは別のものの提示を可能にする分解された命令とを使用することとしてもよい。3つの入力としてもよい。
他の目的、特徴および効果は、下記の好適実施形態についての説明と添付図面から当業者は理解することができる。
本発明は、以下に開示する好適な実施形態以外の他の実施形態が可能であり、種々の方法で実施または実行することができる。このように、本発明はその用途において、以下の説明に記載され図面に例示された構造の詳細およびコンポーネントの配置に限定されるものでないことは言うまでもない。一つの実施形態が本明細書に記載されているが、本願の特許請求の範囲はその実施形態に限定されるものではない。さらに、本願の特許請求の範囲は、明確であって特定の除外、限定または放棄を表す記載がない限り、限定して解釈されるものではない。
図1は、画像10の一部において中央値フィルタ処理されたピクセルを示している。例えば、3つのピクセル12,14,16の領域またはウインドはそれぞれ値が120,150,125の一次元信号を表していると仮定すると、中央値は125であり、最小値は120であり、最大値は150である。ピクセル18,20,22およびピクセル24,26,28に加えてピクセル12,14,16を有する二次元信号を検討する。現在、これは9個の値、すなわち115,119,120,123,124,125,126,127,150のウインドまたは領域で構成されている。明らかに、ここでは中央値は124であり、最小値は115であり、最大値は150である。
図2の中央値フィルタ30のような従来の中央値フィルタは、入力P1,P2,P3を受信するための3つの入力タップを持っており、通常は、最小値、中央値、最大値の3つの出力を得るための3つの論理状態またはノード32,34,36を有する。ノード32は、先ず、最小値および最大値を決定するだめに入力P2とP3を比較する。最小値はノード34に出力され、ノード34が入力P1と前記最小値とを比較してさらに最小値を決定し、この最小値がフィルタの最小値として出力され、ノード34の最大値出力はノード32からの最大値出力とともにノード36において処理される。ノード36の最大値出力はフィルタの最大値出力である。ノード36の最小値出力はフィルタの中央値出力である。この従来の手法においける一つの問題は、3サイクルの動作をすることである。ノード34は、ノード32の動作結果を受信するまで動作することができない。ノード36は、ノード34およびノード32の動作結果を受信するまで動作することができない。
本発明によれば、入力の所定数は、例えば、3つは、予測可能なソート・パターンの数となり、最小値、中央値および最大値の位置にある入力P1,P2,P3の異なるソート・パターンをそれぞれ表している、と理解される。これは、図3の真理値表として示すことができる。この真理値表は、3つの入力で生じることができる3つの比較結合組
P1>P2;P1>P3;P2>P3を表す3つの列38,40,42を有する。3つの入力では8つの可能な組み合わせがある。列38,40,42の一つのチェックマークは、列の上端の定理が真であることを示す。例えば、P1がP2よりも大きいことが真であり、P1がP3よりも大きいことが真であり、P2がP3よりも大きいことが真であるので、第1行では全てチェックされている。それらの3つの条件の全てが真であるとき、列44に示すように、P3が最小値になり、P2が中央値になり、P1が最大値になることが既知となっている。下側への次の行では、列38および列40がチェックされており、列42はダッシュとなっている。前記ダッシュは、P2がP3よりも大きくなく、それとは反対にP3がP2よりも大きいことを意味している。そして、P1がP2よりも大きく、P1がP3よりも大きく、P2がP3よりも大きくない、ことを条件として、列44において示された最小値出力、中央値出力および最大値出力がそれぞれP2,P3およびP1となり、その他、3つの条件についての8つの可能な組み合わせがある。図3の真理値表は、決定列44が8つの可能な組み合わせの全てが適切なものではないことを示している。例えば、P1>P2かつP3>P1である場合、P2>P3とはならないので、第3行のP1>P2,P3>P1,P2>P3は適切ではない。
図4は、本発明について実現した一つの実施例を示している。ここで、演算部50は、比較回路52を有する中央値フィルタ51を有している。比較回路52は、入力の各組に対して1つのコンパレータを備えている。それらのコンパレータは、例えば、入力のそれぞれ可能な組み合わせの組P1P2;P1P3;P2P3のそれぞれに対して1つの減算器54,56,58としてもよい。前記の比較を実現できる多くの各種方法があるが、この場合は減算器を使用しており、減算の信号を出力することによって簡便に達成することができる。例えば、減算器54が+信号を出力する場合、P1がP2よりも大きく、−信号を出力する場合、P2がP1よりも大きい。これらの+および−信号は、3つの減算器54,56,58の全てから判定回路、論理回路60,62,64へ出力される。これらの減算器および論理回路は、最小値、中央値および最大値を特定する判定回路である。論理回路が図3の真理値表から明らかなパターンを認識したとき、対応するMUX66,68,70が入力P1,P2,P3のうちの適切な1つを通過させる。例えば、図3の真理値表の第1行が真である場合、すなわち、減算器54,56,58のそれぞれが+信号を出力しているとき、論理回路60はMUX66において入力P1を通過させるが入力P2およびP3は通過させず、論理回路62はMUX68において入力P2を通過させるが入力P1およびP3は通過させず、論理回路64はMUX70において入力P1を通過させるが入力P2およびP3は通過させない。論理回路62はMUX68において入力P2を通過させるが入力P1およびP3は通過させず、論理回路64はMUX70において入力P1を通過させるが入力P2およびP3は通過させない。本手段の重要な利点は、演算部50において入力P1,P2,P3の状態に即座になり、出力をMUX66,68,70から即座に発生させることができることであり、3サイクルの従来の装置に比較して1サイクル必要とされる点である。3サイクルの従来の装置に比較して1サイクル必要とされる点である。
第2の課題は、演算部50の動作において命令を分解することによって、1つよりも多くのサイクルのコストだけを扱うことができることである。この課題は、一般に、殆どのプロセッサの演算部が入力バスのサイズの半分しかない結果バスを持っているという事実から生じる。通常、例えば、入力バスは、1つの16ビット結果をもたらす乗算のために2つの16ビット数に対応している。しかしながら、本実施形態では、4ビット、8ビット、16ビット…のどのようなサイズの3つの入力がソートされても3つの同様な出力がもたらされる。この課題を解決するために、本発明は、2つのパイプライン独立命令に中間値フィルタ命令を分解する。
これは、図5および図6に図示されている。第1命令は図5の演算部50に出力される。第1命令は、減算器54,56,58と論理回路60,62,64とMUX66,70とを動作させるが、その結果、MUX66,70のみが例えば最小値信号および最大値信号のみを通過させる。第2命令は、中間値信号を出力させるために、図6のMUX60を有効にする。いずれの命令が出力のいずれを通過させるかは重要なことではない。どちらかの命令が最小値出力と中央値出力と最大値出力のうちの2つを出力させ、他の命令が残りの1つを出力させる。その結果、出力が演算部の出力バスに対応して交互に配置される。
このように図1のものとは異なるが、図2,図3,図4,図5,図6についての説明の全てにおいて、本発明に係る中央値フィルタは3入力状態のみに応答するが、これは本発明を限定するものではなく、プロセッサの演算部で実施されるような複数の中央値フィルタを使用するために、いかなる入力数でも取り扱うことができる。例えば、図7に示すように、4つの中央値フィルタ51a−51dの全てがプロセッサの演算部50に実装されている。中央値フィルタ51aは、入力P1,P2,P3を選り分けて、中央値フィルタ51bに最大値出力を出力し、最小値出力および中央値出力を中央値フィルタ51cに出力する。中央値フィルタ51bは、他方の2つの入力P4,P5とともに中央値フィルタ51aの最大値出力を選り分けて、中央値フィルタ51cに最小値出力を出力し、中央値フィルタ51dに中央値出力を出力する。中央値フィルタ51cは、中央値フィルタ51aの最小値出力および中央値出力とともに中央値フィルタ51bの最小値出力を選り分けて、中央値フィルタ51dに中央値出力および最大値出力とを出力する。また中央値フィルタ51dは、中央値フィルタ51bから中央値出力を受信して、中央値フィルタの値Medを生成して中央値出力として出力する。次に、図8に示す更なる実施形態では、6つのフィルタ51a−51fを使用して、7つの入力P1−P7に対処する装置が示されている。また、図9では、7つの中間値フィルタ51a−51gを使用する9つの入力の装置が示されている。いずれの場合にも、中央値フィルタは特定の動作に必要な出力のみを出力するように示されているが、それぞれが最小値出力と中央値出力と最大値出力とを出力することができる。
本発明に係る中央値フィルタは、フロセッサの演算部において、上記のように実施することができる。そのようなプロセッサは、デジタル信号プロセッサ110を有するものとして図10に示されている。デジタル信号プロセッサ110は、1つ以上のデータアドレス生成器114,1116を持つアドレス部112を有している。前記プロセッサは、例えばプログラムシーケンサ118および1つ以上の演算部120などから構成されている制御部を有している。演算部120は、論理演算部122、乗算/累算器124、シフタ126など多数の回路を有している。通常、デジタル信号プロセッサの中には、2つ、4つまたはそれ以上の演算部が構成されている。デジタル信号プロセッサは、メモリバス128を介して、レベル1(L1)メモリ130または増設メモリ138のような1つ以上の記憶装置に接続されている。レベル1(L1)メモリ130は、プログラムメモリ132とデータメモリ134とを有している。メモリ130は、通常、非常に高速でかつ非常に高価なレベル1メモリとしてもよい。メモリ136は、それほど高価でなくかつ低速のレベル3(L3)メモリとしてもよい。DSP110が1GHz以上で動作しているとき、動作の完了に1サクイル以上を必要とするアドレス部および演算部に対して、動作サイクルが非常に高速である。DSP110の処理能力および機能を改良するためには、通常、パイプラン化される。
パイプラインに依存する第3の課題は、中央値フィルタ命令を2つの並列パイプライン独立命令に分解することによって取り組むことができる。パイプライン化動作では、前命令の結果とその後の命令の結果との間に依存関係がないとき、プロセッサの全てに渡る並列構成ブロックのパイプライン効率が維持される。しかしながら、上記のような依存関係がある場合、作業を再開する前に障害命令の完了を待つためにパイプラインが停止して、パイプライン失速が生じる。本実施形態のプロセッサは、全般的にデジタル信号プロセッサとして説明しているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、コントローラ、MIPS、ARMまたはあらゆる他の適当なプロセッサを使用することができる。本発明に係るプログラムシーケンサ118を介して動作する分解命令は、下記の数1のように表される。
Figure 0004750850
本発明は、上記で示されたまたは示唆された特定のハードウェアに限定されず、図11の処理プログラムで実施される方法であって、それぞれ結合された組について大および小に、並列にソートをする(ステップ200)、ソートに基づいて、最大フィルタ値と最小フィルタ値と中間フィルタ値とを決定する(ステップ202)を包含する。最終的分解命令は、最大値と最小値と中間値とのうちの1つまたは2つを抽出するためにステップ204で適用され、第2分解命令は、最大フィルタ値と最小フィルタ値と中間フィルタ値とのうちの他の残りの2つまたは1つを抽出するためにステップ206で適用される。
本発明の具体的な特徴は、他でもなくいくつかの図面に示されたが、これは、それぞれの特徴が本発明に係る他の特徴のいずれか又は全てと結び付けられ得るように、便宜上のみのためである。本明細書中で用いられたような「包含する」、「有する」、「持つ」および「構成された」という語は、広範囲かつ包括的に解釈されるべきであり、いかなる物理的な相互関係に限定されない。その上、本願で開示されたいかなる実施形態も唯一の可能な実施形態として受け取られるべきではない。
さらに、本願の出願中において提示された如何なる修正も、本願につき出願された願書における特許請求の範囲に提示された請求項の要素を否認するものではない。当業者は、本願の全ての可能な均等物を包含する特許請求の範囲の文言に係る発明について、容易に想到できるものではない。多くの均等物がその変形時点において予測可能であり、本発明の範囲に該当する(どちらかといえば)。変形の基礎となる原理は、多くの均等物に付随的な関係を持っているにすぎないものといえる。および/または、特許請求の範囲の要素についてのあらゆる変形のための特定の実体のない置換を説明することについては、出願人が予測できないことについて、多くの他の根拠がある。
本願の特許請求の範囲に入る他の実施形態は、当業者が見出すことができる。
中央値フィルタ処理されたピクセル領域の拡大概略図である。 従来技術における3入力中央値フィルタの概略図である。 3入力中央値フィルタにおける最大、中央、最小について8つの取り得るパターンをもつ真理値表である。 本発明に係る中央値フィルタとして機能するプロセッサにおける演算部の部分を示す概略図である。 図4と同様の図であって、従来のプロセッサにおける出力バスに限定して対応する分解された命令について独立パイプラインを使用する2つのステップを示している。 図4と同様の図であって、従来のプロセッサにおける出力バスに限定して対応する分解された命令について独立パイプラインを使用する2つのステップを示している。 5入力のウインドまたは近隣をフィルタリングする本発明に係る図4と同様の中央値フィルタを示す概略ブロック図である。 7入力のウインドまたは近隣をフィルタリングする本発明に係る図4と同様の中央値フィルタを示す概略ブロック図である。 9入力のウインドまたは近隣をフィルタリングする本発明に係る図4と同様の中央値フィルタを示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係るプログラムシーケンサおよび演算部を示すプロセッサの概要図である。 本発明の方法を示すブロック図である。
符号の説明
50 演算部
51 中央値フィルタ
52 比較回路
54,56,58 減算器
60,62,64 論理回路
66,68,70 MUX

Claims (16)

  1. 並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサであって、
    前記プロセッサは、
    複数の入力を受信する演算部と、
    プログラムシーケンサと
    を有し、
    前記演算部は、
    (i)それぞれ結合された入力の組を大きい数と小さい数に並列に選り分け処理するための比較回路と、
    (ii)前記入力の組の選り分け処理に応じて前記入力の最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とを決定する判定回路と
    を有し、
    前記プログラムシーケンサは、少なくとも2つのパイプライン独立命令を出力し、
    前記少なくとも2つのパイプライン独立命令は、前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とについての部分集合を、第1サイクルで、提示するために前記判定回路を有効にする第1命令と、前記第1サイクルで示されなかった前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とのうちの少なくとも1つを、第2サイクルで、提示するために前記判定回路を有効にする第2命令と、を有する
    ことを特徴とする並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  2. 前記比較回路は、前記入力の各組を比較するコンパレータ回路を有する請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  3. 各前記コンパレータ回路は、各入力の組について減算する減算回路を有する請求項2に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  4. 各組の大きい数および小さい数は、異なる信号で示される請求項3に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  5. 前記判定回路は、前記異なる信号のパターンに応じて中央フィルタ値を提示する論理回路を有する請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  6. 前記判定回路は、前記異なる信号のパターンに応じて最大フィルタ値と最小フィルタ値と中央フィルタ値とを提示する論理回路を有する請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  7. 前記命令は、パイプライン独立演算をさせるものである請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  8. 3つの入力がある請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  9. プロセッサの演算部において並列中央値フィルタリングに基づいた命令をする方法であって、
    前記方法は、
    それぞれ結合された入力の組を大きい値と小さい値に並列に選り分け処理するステップと、
    前記選り分け処理のステップに基づいて前記入力の最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とを決定するステップと、
    前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とについての部分集合の提示を、第1サイクルで、可能にするために第1命令を使用するステップと
    前記第1サイクルで示されなかった前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値の提示を、第2サイクルで、可能にするために第2命令を使用するステップと
    を有し、
    前記第2命令は、前記第1命令からパイプライン独立となっていることを特徴とするプロセッサの演算部において並列中央値フィルタリングに基づいた命令をする方法。
  10. 3つの入力がある請求項9に記載されたプロセッサの演算部において並列中央値フィルタリングに基づいた命令をする方法。
  11. 前記複数の入力を受信するための入力バスの幅は、前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とを提示するための出力バスの幅の2倍である請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  12. 前記部分集合は、前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とにおける1つを含む請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  13. 前記部分集合は、前記最小フィルタ値と最大フィルタ値と中央フィルタ値とにおける2つを含む請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  14. 複数の演算部をさらに有する請求項1に記載された並列中央値フィルタリングに基づいた命令を有するプロセッサ。
  15. 前記第1命令および前記第2命令は、演算部に使用される請求項9に記載されたプロセッサの演算部において並列中央値フィルタリングに基づいた命令をする方法。
  16. 前記第1命令は第1演算部に使用され、前記第2命令は第2演算部に使用される請求項9に記載されたプロセッサの演算部において並列中央値フィルタリングに基づいた命令をする方法。
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