JPH08506954A - デジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流を標準高精細度テレビジョンビット流に変換符号化する方法および装置 - Google Patents

デジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流を標準高精細度テレビジョンビット流に変換符号化する方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 SDマクロブロック情報をその対応するSD画像シーケンスから計算することなく、併置HDマクロブロックからSDマクロブロックを直接取出すようにした標準精細度テレビジョン信号の併置マクロブロックに、高精細度テレビジョン信号のマクロブロックを変換符号化する方法および装置。

Description

【発明の詳細な説明】 デジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流を標準高精細 度テレビジョンビット流に変換符号化する方法および装置発明の技術分野 本発明はデータをあるフォーマット(または仕様)から他のフォーマットに変 換するために、デジタル圧縮された符号化データ(例えばビット情報)を処理す る方法および装置に関するものである。かかる方法はデジタルトランスコーディ ングと称され、かかる機能を有する装置をデジタルトランスコーダと称する。発明の背景 IOS(International Standardization Organization)のMPEG(Moving Pictur e Expert Group)によって開発されたデジタルビデオ圧縮標準規格はタレストリ アル放送、遠隔地通信およびケーブルのような広範囲のメディアに亘るデジタル ビデオプログラムの送出における主技術となりつつある。ほとんどの場合MPEGに よって推奨された標準規格と同様のまたは標準規格と両立し得るデジタルHDTV( 高精細度テレビジョン)標準規格は北米およびヨーロッパにおけるタレストリア ルHDTV送信に用いられている。また、同様の技術を用いてケーブル、電話、光学 ファイバー、衛星およびISDN回線網によるHDTVおよび標準精細度テレビジョン( SDTV)が提供されている。 米国特許第5,243,428号にはMPEG標準規格並びにそのブロックおよびフレーム 符号化プロトコルが記載されている。この米国特許はここに参考文献として記載 されている。フレーム間/フレーム内およびMPEGのようなビデオ符号化に関する さらに他の詳細もここに参考文献として挙げられている次の文献にも記載されて いる。 “MPEG:マルチメディア用ビデオ圧縮標準規格”; Le Gall,ACMの通信、第34巻、第4号、1991年4月 “上級デジタル通信”Feher,Prentice-Hall Inc.,Englewood Cliffs,N.J.( 1987)“デジタル同時放送AD-HDTV符号化システム” IEEEトランザクション・オン・コンシューマ・エレクトロニクス第38巻、第4 号、1992年11月“動画及び関連オーディオの情報技術ジェネリック符号化” ISO/IECコミッティ ドラフト、1993年11月 “テストモデル5,ドラフトモデルエッディングコミッティ” ISO/IEC,1993年4月 SDTVはここではデジタル符号化テレビジョン信号と称され、この信号は慣例の (例えばNTSCまたはPAL)型のテレビジョン画像に対する総合フォーマットおよ び解像度と両立し得るテレビジョン画像を発生することができる。HDTV源の 信号を慣例のテレビジョンチャネル帯域幅(例えば、6MHz)に符号化する技 術を用いることによって、各チャネルに単一のSDTVプログラムでなく数個の SDTVプログラムを提供することができる。 HDTVの導入は、完全なHDTV源の信号を再生し得る受像機が大部分の視 聴者により得られる前に開始する。従ってHDTV信号をSDTV信号に変換す る(即ち、これら信号を変換符号化する)必要があり、その結果これら信号はさ らに処理して、標準精細度ビデオ信号を復号化し表示し得る慣例の(例えばNT SC)テレビジョン受像機で表示することができる。 デジタル変換コーダは伝送チェーンの中間段に、またはヘッドエンドあるいは 回線交換機のような遠隔通信回線の部分として配置することができる。従来、変 換符号化器(トランスコーダ)は中央位置から衛星または他の回線通信リンクを 経てHDTV信号を受け、各HDTV信号から1つ以上のSDTV信号を変換符 号化する。次いで、これらHDTV信号およびSDTV信号の双方は家庭に伝送 する。 この変換符号化装置は、最初、HDTV信号およびSDTV信号の双方に対し 提供すべきチャネルを必要とする伝送チェーンに配置するが、低価格の集積回路 が容易に入手可能となり変換符号化装置を視聴者の家庭に移すことができるよう になった。受信チェーンに変換符号化装置を設ける場合には、(SDTV信号と 同時放送するよりも)実際にはHDTV信号のみを伝送でき、SDTV信号が占 めるチャネルを他の用途に利用することができる。 現在、HDTVからSDTVへの変換符号化はHDTV信号を完全に復号化し て高精細度の画像(“HD画像シーケンス”)のシーケンスを形成することによ り達成する。次いでHD画像シーケンスをフィルタ処理し、且つサブサンプリン グして低精細度画像(“SD画像シーケンス”)のシーケンスを抽出する。次に 、SD画像シーケンスを処理してSDマクロブロック情報、例えばマクロブロッ ク型情報、動きベクトル情報および量子化器情報を符号化するために計算する。 しかし、ほとんどの放送品質ビデオシステムの場合のように、完全なエンコーダ は高価であり、従って実際には受信(または送信)チェーンに用いるように設計 された価格的に有利な変換符号化装置に設けるのは困難である。発明の概要 本発明の目的はSDシーケンスからSDマクロブロック情報を計算することな く価格的に有利な変換符号化を行う方法および装置を提供せんとするにある。 本発明はHDTV信号、例えば画像型情報、マクロブロック型情報、動きベク トル情報および量子化器情報の符号化されたマクロブロックに好適なHD画像シ ーケンスおよびHDマクロブロック情報を復号化する方法および装置であって; HD画像シーケンスをフィルタ処理し且つサブサンプリングしてSD画像シー ケンスを得; HDマクロブロック情報を用いて併置SDマクロブロックの符号化に必要な対 応するSDマクロブロック情報(例えば画像型情報、マクロブロック型情報、動 きベクトル情報および量子化器情報)を直接取出すようにしたことを特徴とする 。 HDマクロブロック情報を直接処理することによって、本発明はSD]また情 報を取出すためのSD画像シーケンスを完全に解析する必要はない。これがため SD符号化処理および装置を簡単化する。その理由は従来の方法の場合よりもメ モリを充分小さくし、且つ計算の複雑性を充分少なくし、従って受信チェーンで 結う好悪に実現し得るからである。本願発明で説明する好適な実施例は圧縮HD TV信号を圧縮SDTV信号に変換符号化することである。一般に同一の技術を 適用して任意所定の高い精細度およびビット速度ビット流から低い精細度および ビット速度ビット流への変換符号化を行うことができる。図面の簡単な説明 図1は、本発明を実現するトランスコーダの好適な例を示すブロック図、 図2は、併置HDマクロブロックおよびSDマクロブロック間の関係を示す説 明図、 図3は、併置HDマクロブロック動きベクトルおよびSDマクロブロック動き ベクトル間の関係を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態 本発明によってHDビット流から復号化したHDマクロブロック情報を用いて SDマクロブロック情報を直接取出すことにより圧縮HD(高精細度)ビデオデ ータビット流を圧縮SD(低、例えば“標準”精細度)データビット流に変換符 号化(トランスコーディング)する。ここに云う“直接”とはSDマクロブロッ ク情報をその対応するSD画像シーケンスから計算することなくHDマクロブロ ック情報からSDマクロブロック情報を取出すことを意味する。 ここに提示されている参考文献には例えばMPEGデジタルビデオプロトコル並び にエンコーダおよびデコーダを用いてHDおよびSDデジタル信号処理の双方を 行うことが記載されている。従ってデジタル圧縮および符号化/復号化処理並び に装置の作動の詳細はここでは詳細に説明しない。 HDデータビット流によって3種類の符号化画像の形式に関連する符号化情報 (例えば、係数、量子化スケーリング情報および動きベクトル)を提供する。こ れら3種類の符号化画像とはI(フレーム内)符号化画像、P(順方向予測フレ ーム間)符号化画像およびB(双方向予測フレーム間)符号化画像である。各P 画像は順方向に予測されたまたは個別のフレーム内符号化マクロブロックを含む ことができる。各B画像は順方向に予測された、または双方向に予測されたある いはフレーム内符号化マクロブロックを含むことができる。各I画像はI符号化 されたマクロブロックのみを含むことができる。HDデータビット流を復号化し で画素(例えば16×16画素)の最初に符号化されたHDマクロブロックを再 生する。次いでこれらのマクロブロックをさらに処理してHD像シーケンスを形 成する。トランスコーダの好適な例を説明する図1に示すように、HD情報およ びHD像シーケンスをHDデコーダ10で取出す。次いでこのHD像シーケンス をフィルタ処理し、且つサブサンプラー20でサブサンプル化してSD像シーケ ンスを形成し、これを並列SDエンコーダ40に供給する。 SDマタロブロック情報を計算するために、SD像シーケンスをさらに処理す る従来例の場合と相違して、本発明によればHDマクロブロック情報からSDマ クロブロック情報を直接取出してサブサンプラー20により供給されたSD像シ ーケンスを符号化しSD符号化データビット流とする。 HDマクロブロック情報は各々が4つの“併置”HDマクロブロックより成る 群に対するモード情報を具え、これによりモード情報をモード選択プロセッサ5 0に供給する。このモード情報は次のものを含む: a)群のマクロブロックの各々に対して用いられた予測の型が順方向に予測さ れた、双方向に予測されたまたはフレーム内符号化された、即ち、予測(フレー ム内)されていないことを含み、且つフィールドまたはフレーム予測を用いる; b)各マクロブロックが量子化スケール情報を具えるかどうか; c)各マクロブロックが残留係数データを具えるかどうか、および残留係数デ ータを具える場合にはそれがフィールドDCT符号化されたものであるかまたは フレームDCT符号化されたものであるか; d)各マクロブロックが動き情報を具えるかどうか。 ここに云う“併置マクロブロック”とはSD画像の対応するSDマクロブロッ クを形成すべきHD画像の部分を形成するHDマクロブロックの群を意味するも のとする。併置HDマクロブロックおよびSDマクロブロック間の関係を図2に 示す。 SD画像内の位置x,yに位置する各SDマクロブロックとHD画像内の位置 X,Yに位置する(大きさSx,Syの)HD画像の対応する部分との間の関係 を式X=R*x,Y=R*yおよびSx=Sy=16*Rで表わし、ここにRは 各大きさ(xおよびy)のスケールファクタ(位取り因数)である。この説明を 行うために、HD画像およびSD画像のアスペクト比が同一即ち、R=2である ものとする。従って1つのSDマクロブロック(mb1)は4つのHDマクロブ ロック(MB1,MB2,MB3およびMB4)の相当する。 変換符号化処理により形成すべきSD画像のアスペクト比を異ならせる(例え ば4×3)必要がある場合には、サイドパネルを用いてHDビデオ区域を選択し 、同一のアスペクト比を保持することができる。SDの各マクロブロックに対し てはこれをHDの対応ずる区域にマッピングすることができる。この区域によっ て完全にまたは部分的にカバーされるHDマクロブロックの全ては特定のSDマ クロブロックの併置マクロブロックとして用いる。 また、HDデコーダ10は次の情報: a)バッファ制御兼適応量子化器30に対し各マクロブロックの符号化に用い るビットの数; b)バッファ制御兼適応量子化器30に対する各マクロブロックの量子化情報 (QHD);および c)動き推定プロセッサ60に対する各マクロブロックの動きベクトル情報; を有する。個別のマクロブロックに関する上記情報の他に、HDデコーダ10に よってトランスコーダのモジュール20,30,50および60に対し各HDマ クロブロックが(例えばI,PまたはB)の1部分となる画像の型に関する情報 を提供する。 各々が4つの16×16画素HDマクロブロックより成る群を用いて併置16 ×16画素HDマクロブロックを取出す。 各SDマクロブロックのマクロブロック型はモード選択プロセッサ50で併置 HDマクロブロックからのモード情報に基づいて求める。 マクロブロックのモード関係は次に示す一般項で表わすことができる。 t(mb1)=G[T1(MB1),T2(MB2),T3(MB3),…,Tn(MBn)] ここにGは関数または動作、nは併置HDマクロブロックの総数、tはSDマク ロブロックmb1に割当てるべきモード、およびT1乃至Tnは併置マクロブロッ クの各モードである。 SDマクロブロックモードは、例えば、HDマクロブロックMB1乃至MBn の群の各HDマクロブロックの各マクロブロックモードを求めるとともに何れの モードが上記群内で最も頻繁に用いられるかを求めるために各特定のモードを用 いる回数を計数し続けるプロセスGによって求めることができる。次いで、HD マクロブロックの群で最も頻繁に用いられるモードをSDマクロブロックmb1に 割当てる。同様に、併置マクロブロックMB1乃至MBnの各々のうちの残留デ ータを符号化するために最も頻繁に用いられるDCT符号化の型を用いてSDマ クロブロックmb1に用いるべきDCT符号化の型を求める。 複数(即ち、“tie”の場合に)を表わすモードが存在しない場合にはテーブ ルIの優先リストを適用して特定のSDマクロブロックに対する予測型を求める ことができる。 テーブルIはSDビデオに対する総合符号化性能を最大とすることを発見的に 確かめた。 各HD画像に対しては対応するSD画像が同一の画像の型(I,PまたはB) を有する。このテーブルIは画像の型に従って編成される。SDマクロブロック に割当てられ得る可能なマクロブロックカテゴリを欄の頂部に最高の優先度、欄 の底部に最低の優先度でリストアップする。テーブルIの使用を次の例により示 すことができる。 HD併置マクロブロックがP画像の一部分である場合には対応するSDマクロ ブロックをP画像(ヘッドPの欄)に対して求める。2つの符号化内(イントラ )併置マクロブロックおよび2つのフィールド予測マクロブロック間が“tie” されている場合にはSDマクロブロックはイントラ符号化されるようになる。そ の理由はHDマクロブロックの2つのカテゴリのうちのイントラが最高となるか らである。 各画像の型に対し、DCT符号化型(即ち、フレームまたはフィールドに基づ く)も複数倍して求まる。“tie”の場合には、フィールドDCTはSDマクロ ブロックに対して選択する。 SDマクロブロックを選択した後SDマクロブロックの動きベクトルを求める ことができる。動き補償はSDエンコーダ40の各SDマクロブロックに対して そのSDマクロブロックモードおよびその動きベクトルに基づいて常時行われる 。HDマクロブロックの各群に対する動きベクトルは個別に取出されたSDマク ロブロック型とともに用いて併置SDマクロブロックの動きベクトルを求める。 SD内マクロブロックに対しては動きベクトルを用いない。順方向に予測され たマクロブロックに対してはmb1の順方向フレームまたはフィールド動きベクト ルは図3に示すように、且つ後に一層詳細に説明するように、HDマクロブロッ クMB1乃至MB4に対する順方向フレームおよびフィールド動きベクトルの関 数である。mb1の逆方向フレームまたはフィールド動きベクトルはHDマクロブ ロックMB1乃至MB4に対する逆方向フレームおよびフィールド動きベクトル の関数である。SDマクロブロックmb1の動きベクトルの初期推定が求められる と、これら動きベクトルのずれを有する追加の動き推定を更に詳細に行うことが できる。 動き補償はSDエンコーダ40により行って残部を再計算する。 SDマクロブロックmb1の初期動きベクトルは以下に説明する方法によってH Dデコーダ10により供給されるHD動きベクトルを用いる動き推定プロセッサ 60で推定する。 SDマクロブロックmb1の動きベクトルの初期推定は例えば各方向(順方向/ 逆方向)におけるHDマクロブロックMB1乃至MBnの動きベクトルの平均値 をRで除算することにより求めることができる。換言すれば、HDマクロブロッ クMB1からMBnまで、その構成(フィールド/フレーム)に関係なく同一方 向(順方向/逆方向)に属する動きベクトルを平均化する必要がある。 初期動きベクトルの所望の推定がフレームに基づくものである場合には全ての HDフィールド動きベクトルは、平均化処理前に各フィールド動きベクトルの垂 直成分を1/2とすることによって動き推定プロセッサ60で対応するHDフレ ーム動きベクトルに変換する。初期動きベクトルの所望の推定がフィールドに基 づくものである場合には全てのフレーム動きベクトルは、平均化処理前にこれら フレーム動きベクトルの垂直成分を2倍とすることによって対応するフィールド 動きベクトルに変換する。 各群の併置マクロブロックはその型および動きベクトルの値が異なる場合があ るため、これらHD動きベクトルから直接取出した併置SDマクロブロックの初 期動きベクトルは極めて正確なものとはなり得ず、従って微調整のために追加の 動き推定を必要とする。併置HD動きベクトルから良好な初期推定を行う場合に は必要な動きベクトルの量は完全なSDエンコーダが必要とする動きベクトルよ りも著しく少ない。 バースティ(圧縮)データを一定の割合で伝送させるにはエンコーダおよびデ コーダにバッファを必要とする。同報シナリオを考慮ずる場合には1つのエンコ ーダバッファおよび多数のデコーダバッファ(エンコーダからデコーダに向かっ て1方向にのみ伝送される情報)を必要とする。エンコーダによってデコーダの バッファの何れもがオーバーフローするかまたはアンダーフローさせるようにす る。((MPEGによってエンコーダがビデオバッファ状態信号(vbv遅延)を 発生させることによりこの問題をアドレス指定する。))エンコーダによって、 そのバッファが現在の画像の復号化の状態以前とする状態のデコーダを知らせる ために、画像(フレームとも称する)毎のvbv遅延を伝送する。 トランスコーダがHDビット流からSDビット流を発生するため、SDビット 流がSDデコーダにビデオバッファ制御を必要とすることにより課せられる制約 を満足し得るようにする必要がある。換言すれば、SDビット流に対しビット速 度およびバッファの大きさが変化するため、HDビット流のビデオバッファ制御 情報(HDvbv遅延)は変換符号化されたSDビット流の適宜のビデオバッファ 制御情報(SDvbv遅延)に修正する必要がある。これは次に示すようにバッフ ァ制御兼適応量子化器30で達成する。 HDエンコーダによってビデオバッファ条件が前記文献に示すようにHDvbv 遅延信号を供給することにより満足となるようにする。数学的にはHDビデオバ ッファ制御情報の要求は次式で表わされる。 0<OHD<BHD ここにOHDはフレーム復号化直前および直後にHDエンコーダに結合された仮 説デコーダのビデオバッファの占有度であり、BHDはバッファの大きさである 。 同様に、SDビデオバッファ制御情報の対応する要求は次式で表わされる。 0<OSD<BSD ここにOSDフレーム復号化直前および直後にSDエンコーダに結合された仮説 デコーダのビデオバッファの占有度であり、BSDはバッファの大きさである。 この要求は、バッファ制御器を具えるトランスコーダのバッファ制御兼適応量子 化器30を用いることにより満足させることができ、これにより、上述したバッ ファ占有度およびバッファの大きさ間の関係が真実である場合にOSDに及ぼす 規制が下記に示されるようになると云う利点がある。 OSD=(BSD/BHD)OHD バッファ制御兼適応量子化器30は各HDマクロブロックの符号化に用いられ るビット数を受けて次式を用い各HD画像の符号化に用いられるビット数を計算 する。 BITS SDi=(BSD/BHD)BITS HDi ここにBITS SDiは対応するSD画像iの符号化に用いる必要のあるビッ トの推定数であり、BITS HDiは対応するHD画像iの符号化に用いられ るビットの実際の数である。 この場合にはバッファ占有度を越える制御を確実に行う必要がある。換言すれ ば、画像当たりの実際の符号化ビットはターゲットビットの推定数に地下図蹴る 必要がある。 BITS SDiを現在のSD画像に対して計算した後、BITS SDiを 得るSD画像に対する平均量子化スケール(QiSD)を次のようにバッファ制御 兼適応量子化器30で計算する。 SD画像(Ci)の複雑性は次式により表わされる。 Ci=BITS SDi*QiSD 同様に、前のSD画像の複雑性も次式により表わされる。 Ci-1=BITS SDi-1*Qi1SD 画像から画像へ品質の連続性を達成するためには、CiをCi−1に等しくする 必要がある。これがため、推定平均量子化器のステップサイズを解くために次式 を得る: QiSD=(BITS SDi-1*Qi-1SD)/BITS SDi 併置HD画像(QHD)のHDマクロブロックの各々に対する量子化器のステップ サイズ値はバッファ制御兼適応量子化器30に対するHDデコーダ10によって 行う。現在のHD画像に対する平均量子化スケールQHDを提供するために、バッ ファ制御兼適応量子化器30によってHD画像に対するqHD値の平均値を計算す る。また、バッファ制御兼適応量子化器30によって値QiSDをも計算する。そ の理由は値Qi−1SDおよびBITS SDi-1がそのバッファに保持されているか らである。変換符号化処理の始端では値Qi−1SDの第1値が得られる前に、値 QHSを値Qi−1SDの代わりに用いることができる。 SD画像の符号化に用いられるビットはその数を増大することなくその主品質 を増大するように割当てる必要がある。これは、画像の複雑な区域(殆ど見えな い)を雑音に敏感な微細区域(例えば、平坦で低い活量区域)を量子化しながら 一層歪ませることによって達成する。マクロブロックに誘起された歪みを求める とともにこれにより発生するビットの数を求める各SDマクロブロックの量子化 ステップサイズqSDは次の3つのファクタ:(1)推定平均量子化器ステップサ イズQSD、(2)バッファ状態OSiSD(これはバッファ制御兼適応量子化器3 0のバッファの現在の占有度を読取ることによって得られる)および(3)そお SD画像の他のマクロブロックに対する各SDマクロブロックの相対的複雑性か らバッファ制御兼適応量子化器30によって計算する。この量子化ステップサイ ズqSDは次式で表わされる。 qSD=(Qi,OSDi,cj) ここにマクロブロックの平均手きな複雑性cjは次式で示すようにHD符号化ビ ット流から得られた次式の関数である。 cj=f(qHD1,qHD2,qHD3,qHD4,…,qHDn;b1,b2,b3,b4,…,bn)ここにbは各HD マクロブロックのビームの数である。例えば、cj=次の積のうちから得た最小値 :(b1qHD1);(b2qHD2);(b3qHD3);(b4qHD4) 上述した手順の根拠は、雑音に最も敏感なHDマクロブロックに基づくSDマ クロブロックを符号化することにより“最悪の”場合を注意せんとすることであ る。同一の量子化ステップに対し少数のビットが雑音に最も敏感な活量の低いこ とを意味する。 本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内 で種々の変形や変更が可能である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.第1デジタルテレビジョン信号の第1群のマクロブロックを第2デジタルテ レビジョン信号の併置マクロブロックに変換符号化するに当たり、 a)第1群のマクロブロックの各々から対応するHDマクロブロック情報を 取出す工程と、 b)前記HDマクロブロック情報から前記併置マクロブロックのSDマクロ ブロック情報を直接取出して第2デジタルテレビジョン信号を形成する工程とを 具えるようにしたことを特徴とするデジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流 を標準高精細度テレビジョンビット流に変換符号化する方法。 2.前記HDマクロブロック情報および前記SDマクロブロック情報の双方は予 測情報、量子化器スケール情報、動き情報および変換係数情報を具えることを特 徴とする請求項1に記載のデジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流を標準高 精細度テレビジョンビット流に変換符号化する方法。 3.第1デジタルテレビジョン信号の第1群のマクロブロックを第2デジタルテ レビジョン信号の併置マクロブロックに変換符号化する装置であって、 a)第1群のマクロブロックの各々から対応するHDマクロブロック情報を 取出す手段と、 b)前記HDマクロブロック情報から前記併置マクロブロックのSDマクロ ブロック情報を直接取出して第2デジタルテレビジョン信号を形成する手段とを 具えるようにしたことを特徴とするデジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流 を標準高精細度テレビジョンビット流に変換符号化する装置。 4.前記HDマクロブロック情報および前記SDマクロブロック情報の双方は予 測情報、量子化器スケール情報、動き情報および変換係数情報を具えることを特 徴とする請求項3に記載のデジタル圧縮高精細度テレビジョンビット流を標準高 精細度テレビジョンビット流に変換符号化する装置。
JP51729595A 1993-12-15 1994-12-06 デジタル圧縮高精細度テレビジョンビットストリームを標準高精細度テレビジョンビットストリームにトランスコードする方法および装置 Expired - Lifetime JP3904115B2 (ja)

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