KR100395396B1 - 다채널 동영상 압축 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다채널 동영상 압축 기술에 관한 것으로, 특히 복수 개의 카메라로 촬영하는 동영상을 다채널로 인코딩하여 압축 저장하는 디지털 비디오 레코더 (Digital Video Recorder)에 있어서 효율적으로 동영상을 압축 저장하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 하나의 엠펙 칩(MPEG CHIP)을 이용하여 다채널 영상을 최대의 압축비로 압축할 수 있도록 하며, 필요한 경우 2 ∼ 32 채널 이상을 구현할 수 있다. 본 발명에 따른 다채널 동영상 압축 저장 기술은 임의적으로 카메라 채널별 초당 처리 프레임수의 조정을 가능하게 하므로, 중요 지점이나 중요 상황이 발생한 경우에 해당 카메라를 30 fps로 집중 녹화하거나, 15 fps 정도의 압축 속도로 저장하고 나머지 압축 속도 15 fps로서 잔여 카메라의 영상 입력을 녹화하는 것을 가능하게 한다.

Description

다채널 동영상 압축 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DATA COMPRESSION OF MULTI-CHANNEL MOVING PICTURES}
본 발명은 다채널 동영상 압축 기술에 관한 것으로, 특히 복수 개의 카메라로 촬영하는 동영상을 다채널로 인코딩하여 압축 저장하는 디지털 비디오 레코더 (Digital Video Recorder)에 있어서 효율적으로 동영상을 압축 저장하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
보안 감시 시스템(security system)에 사용되는 디지털 비디오 레코더(DVR; Digital Video Recorder)는 촬영하는 동영상을 압축하여 저장하여 두었다가 필요시에 압축을 풀어서 재생하는 기능을 제공하게 되는데, 동영상 데이터를 압축하는 방법에는 소프트웨어적인 방법과 하드웨어적인 방법이 있다.
소프트웨어적인 방법은 카메라가 촬영하는 아날로그 영상을 디지털 비디오 신호로 디코딩을 한 후에 중앙 처리 장치(CPU)가 데이터를 캡쳐(capture)하고 받아들인 데이터를 소프트웨어적으로 소정의 압축 알고리즘을 이용하여 압축을 수행하여 저장하는 방식이다.
그런데, 전술한 소프트웨어적인 데이터 압축 방식은 중앙 처리 장치의 데이터 처리 능력에 따라 초당 처리할 수 있는 프레임수(fps; frame per second)가 제한되는 단점이 있다. 전술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 제안된 방법이 하드웨어적인 데이터 압축 기술인데, 가장 대표적인 데이터 압축 기술로서 JPEG, 웨이브렛, MPEG, 또는 H.263 등과 같은 기술이 디지털 비디오 데이터 압축 기술로서 통용되고 있다.
위에서 언급한 JPEG 및 웨이브렛 압축 기술은 정지 화면에 대한 데이터 압축기술로서, 그림 각각 한장씩을 압축하여 늘어놓은 알고리즘에 기초하고 있다. 따라서, JPEG 또는 웨이브렛 방식으로 압축된 각각의 정지 화면 데이터는 서로 연관성을 지니고 있지 않으며, 각각 독립적으로 압축이 되어진다는 특징이 있다.
반면에, 엠펙(MPEG; Moving Pictures Engineers Group)에 의한 동영상 압축 기술은 전 프레임과 후속하는 프레임 사이의 차이(difference)를 추출하여 상관 관계를 이용함으로써 데이터를 압축하는 알고리즘에 기초하고 있다. 즉, 엠펙 방식은 기준 프레임(reference frame)에 대하여 후속하는 동영상의 차이만을 연산하여 저장하는 방식에 의존하고 있으므로, 전 단계의 영상 정보를 알아야만 후속 단계의 영상을 재생할 수 있게 된다.
그런데, 전술한 엠펙 방식의 동영상 압축 기술은 하나의 비디오 카메라가 송출하는 동영상을 압축하여 저장하는 경우에는 매우 효율적으로 압축 저장 기능을 수행하지만, 복수 개의 카메라가 송출하는 복수 개의 동영상을 압축 저장하기 위하여 하나의 엠펙 압축 칩(chip)을 사용하는 경우에는, 엠펙 압축 알고리즘의 특성상 전 단계의 영상을 기준(reference)으로 하여 차이에 해당하는 영상을 압축 저장하게 되므로 서로 다른 채널의 영상을 압축하는 과정에서 제n 채널의 프레임을 압축할 때에 제(n-1) 채널의 이전 프레임을 레퍼런스로 하여 압축을 하게 되므로 압축률이 크게 열화되는 문제점이 발생한다.
즉, 하나의 엠펙 압축 칩은 하나의 비디오 입력만을 허용하게 되는데, 엠펙 알고리즘을 이용한 비디오 동영상 압축은 연속된 프레임을 요구하며, 전후 영상의 상관 관계를 이용한 압축 방식이므로, 프레임 별로 서로 다른 비디오 영상(서로 다른 채널의 영상)이 입력되면 정상적인 엠펙 압축 처리를 기대할 수 없게 되고, 그 결과 압축률이 현저히 떨어지게 된다.
따라서, 보안 감시용 디지털 비디오 레코더(DVR)에서와 같이 다채널 모니터를 사용하는 경우, 종래 기술에 따라 엠펙 방식으로 동영상 압축을 수행하는 경우 마치 JPEG과 같이 매 프레임마다 영상의 입력이 바뀌게 되어 엠펙의 장점인 연속성에 의한 압축 데이터 사이즈의 감소 특성이 사라지게 되고, 오히려 압축된 파일 사이즈가 증가되는 문제점이 발생한다.
그렇다고 하여, 다채널 디브이알(DVR)의 경우 채널 수만큼 엠펙 압축 칩을 사용하는 경우(예를 들어, 16 분할 화면 디브이알의 경우 16개의 엠펙 칩이 필요하다), 비디오 신호 처리용 보드 사이즈가 커지게 되고 불필요하게 생산 단가를 증가시키게 하는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 다채널 동영상을 효율적으로 압축 저장할 수 있는 다채널 동영상 압축 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 다채널 동영상을 하나의 엠펙 압축 처리기를 이용하여 최대의 압축 효율로 압축 저장하는 다채널 동영상 압축 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제3 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 일련의 전후 동영상을 비교하여 상관 관계를 산출하여 동영상 압축하는 알고리즘을 다채널 동영상에 대하여 하나의 프로세서가 멀티플렉싱(multiplexing)하여 처리하며, 동시에 단일 채널의동영상을 압축하는 경우의 압축 효율을 유지하는 다채널 동영상 압축 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제4 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 복수 개의 카메라를 동시에 감시하여야 하는 보안 감시 디브이알 시스템에 있어서 복수 개의 카메라가 송출하는 다수 채널의 동영상을 하나의 엠펙 압축 처리기가 동시에 효율적인 압축률로써 녹화 저장할 수 있는 다채널 동영상 압축 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
도1은 본 발명에 따른 다채널 동영상 압축을 구현하는 일 실시예로서 구성 블럭을 나타낸 도면.
도2는 본 발명에 따른 레퍼런스 이미지 버퍼 메모리의 구조를 나타낸 도면.
도3은 본 발명에 따른 비디오 이미지 입력 캡쳐 메모리의 구성의 일 실시예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 비디오 스위치
110 : 제어 로직부
120 : 비디오 디코더
130 : 비디오 메모리
140 : MPEG 칩
150, 160 : 메모리 영역
200 : 메모리 뱅크
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수개 채널의 동영상을 입력받아 압축 처리하여 저장하고 재생하는 다채널 디지털 비디오 레코더에 있어서, 상기 복수개 채널의 동영상 프레임을 제어 로직부의 제어 신호 하에 선택적으로 전환하여 입력받는 비디오 스위치부; 상기 비디오 스위치부가 상기 복수개 채널의 동영상을 멀티플렉싱 하여 출력하는 동영상 프레임을 디지털 비디오 신호로 변환하는 비디오 디코더; 상기 비디오 스위치부에 입력되는 동영상의 입력 순서와 프레임 선택을 제어하며, 동영상 압축 프로세싱부에는 초당 선정된 개수의 프레임이 항시 입력되도록 제어하는 제어 로직부; 상기 비디오 디코더가 출력하는 멀티플렉싱 되어 혼재된 상기 복수개 채널의 동영상 프레임을 저장하는 비디오 메모리; 상기 비디오 메모리로부터 상기 제어 로직부의 제어 하에 초당 선정된 개수의 동영상 프레임(fps)을 입력받고, 입력되는 매 동영상 프레임마다 해당 비디오 채널 정보를 상기 제어 로직부로부터 넘겨받아 각각의 채널 별로 레퍼런스 프레임을 기준으로 현재 입력된 동영상 프레임을 비교하여 동영상 비디오 데이터를 채널 별로 압축 처리하는 동영상 압축 프로세싱부; 상기 동영상 압축 프로세싱부가 처리하는 각각의 비디오 채널에 대응하여 데이터 압축을 위한 상기 레퍼런스 프레임을 상기 각각의 비디오 채널 별로 저장하는 제1 메모리 영역; 상기 동영상 압축 프로세싱부가 처리하는 각각의 비디오 채널에 대응하여 데이터 압축을 위한 매 동영상 프레임의 파라미터를 저장하는 제2 메모리 영역을 포함하는 다채널 동영상 압축 장치를 제공한다.
이하에서는, 첨부 도면 도1 내지 도3을 참조하여 본 발명에 따른 다채널 동영상 압축 기술을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 다채널 동영상 압축을 구현하는 일 실시예로서 구성 블럭을 나타낸 도면이다. 도1을 참조하면, 복수 개(n)의 영상 채널을 선택적으로 입력받기 위하여 비디오 영상 입력 개수 만큼의 비디오 스위치(100)가 구성된다. 이 때에, 비디오 스위치(100)는 제어 로직부(110)에 의하여, 비디오 디코더(120)에는 복수개 채널의 동영상 프레임이 멀티플렉싱(multiplexing) 방식으로 섞어서 순차적으로 입력된다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 제어 로직부(110)는 비디오 디코더(video decoder; 120)에 스위칭 입력되는 특정 동영상 프레임에 대하여, 어느 채널의 비디오 입력인지를 정확히 제어하여야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예로서, 다수 채널로부터 송출되는 동영상을 매 프레임(frame) 별로 전환하여도, 동영상 압축 프로세서(예를 들어, MPEG 칩; 140)가 최대의 압축 성능(30 fps; frame per second)을 유지할 수 있도록 두 개의 비디오 디코더(120)를 한 쌍으로 사용할 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 영상의 입력 순서나 또는 프레임 선택을 제어로직부(110)에서 제어하게 되며, 비디오 메모리(130)를 이용하여 동영상 압축 프로세서(140)에는 항시 30 fps의 비디오 데이터가 입력되도록 하여 최대의 성능을 유지하도록 제어할 수 있다. 본 발명에 따른 동영상 압축 프로세서(140)의 바람직한 실시예로서 엠펙(MPEG) 칩을 사용할 수 있으며, 이하에서는 엠펙 기술을 적용하는 실시예를 위주로 하여 본 발명의 사상을 설명하기로 한다.
한편, 엠펙 압축 알고리즘의 특성상 다수 개의 채널에서 영상이 섞어 들어오는 경우 정상적인 압축이 불가능하다는 점은 이미 전술한 바 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제어 로직부(110)에서 동영상 압축 프로세서(140)에 제공되는 매 프레임당 해당 비디오 채널 정보를 제어하여 넘겨주며, 동영상 압축 프로세서(140)는 이 정보를 이용하여 매 프레임 별로 채널을 분리하여 각각의 채널 별로 신호를 처리함으로써 완벽한 엠펙 압축을 수행할 수 있다.
이어서, 각 채널 별로 압축된 영상은 메인 프로세서(도시하지 않음)에 전달할 때에 압축 이미지 데이터와 채널 정보를 함께 건네줌으로써 압축된 데이터의 저장 및 활용에서도 채널별 처리를 가능하게 한다.
본 발명은 각각의 채널 별로 완벽한 엠펙 압축을 위하여, 엠펙 칩(140)은 하나로 하되 엠펙 압축을 위한 레퍼런스 영상 정보와 파라미터를 저장하는 메모리 영역(150, 160)을 각각의 채널 수만큼 확보하여 둔다. 즉, 본 발명은 매 프레임 별로 채널 정보를 제어하고, 프레임별 채널 정보에 의해 각 채널별 엠펙 처리 메모리 (150, 160)를 제어하여 채널 별로 엠펙 압축을 수행하는 것을 특징으로 한다.
도2는 본 발명에 따른 레퍼런스 이미지 버퍼 메모리의 구조를 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, 본 발명에 따른 레퍼런스 이미지 버퍼 메모리(reference image buffer memory; 150)는 특허청구범위에서 제1 메모리 영역이라 칭하고 있으며, 각각의 채널에 대응하여 채널 개수 만큼의 메모리 뱅크(200)를 구비하고 있다.
또한, 각각의 채널 별로 엠펙 데이터 스트림을 처리하기 위하여 재생 버퍼 (reconstruction buffer)와 순방향 재생 버퍼(forward reconstruction buffer)는 각각의 영상 채널 별로 할당되어 있다. 이 때에, B 프레임 처리를 위하여는 역방향 재생 버퍼(backward reconstruction buffer)도 필요하다.
도3은 본 발명에 따른 비디오 이미지 입력 캡쳐 메모리의 구성의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도3을 참조하면, 본 발명은 비디오 이미지 입력 캡쳐 메모리 (capture memory)를 각각 채널 별로 할당하지 아니하고, 선정된 개수(예를 들어, 3개)만큼 준비하여 공통 캡쳐 버퍼(capture buffer)를 두고, 시간 흐름 순서대로 링 버퍼(ring buffer) 형태로 이용하여 메모리의 최소화를 기대할 수 있다.
다시 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 동영상 압축 프로세서(140)는 비디오 이미지를 입력받는 중에 제어 로직부(110)로부터 현재 비디오 이미지의 채널 정보를 얻어서 캡쳐 버퍼의 영상 채널 정보를 기억하고, 엠펙 인코딩 시에 해당 채널별 메모리 뱅크(150, 160)를 참조하여 엠펙 스트림을 처리한다.
또한, 엠펙 인코딩 데이터의 메인 프로세서로의 전달은 동영상 압축 프로세서(140)에서의 전송 요구 후에 메인 프로세서에서 현재 처리되어 전송 대기 중인 엠펙 인코딩 데이터의 해당 채널 정보 및 기타 정보를 먼저 인식한 후, 엠펙 인코딩 데이터를 전송 받아서 각각의 비디오 채널 별로 저장 또는 필요에 따라 처리를수행한다.
본 발명에 따른 양호한 실시예로서, 엠펙 인코딩 데이터 버퍼는 기본적으로 하나의 버퍼(buffer)를 사용하지만, 전송 속도 및 기타 처리 속도와 타이밍 관계를 고려하여 두개 이상의 버퍼를 이용하여 처리 속도의 감소를 해결할 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 하나의 엠펙 칩(MPEG CHIP)을 이용하여 다채널 영상을 최대의 압축비로 압축할 수 있도록 하며, 필요한 경우 2 ∼ 32 채널 이상을 구현할 수 있다.
특히, 보안 감시용 디지털 비디오 레코더에 있어서 카메라 별로 30 fps가 필요하다기보다는 다수의 카메라를 효율적으로 처리하는 것이 필요하므로, 한 개의 엠펙 칩으로 8개의 카메라가 촬영하여 송출하는 동영상을 동시에 처리하는 경우, 카메라 별로 3.5 fps가 구현되며, 일반적인 보안 감시용 디브이알(DVR)에서 충분히 정보를 저장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다채널 동영상 압축 저장 기술은 임의적으로 카메라 채널별 초당 처리 프레임수의 조정을 가능하게 하므로, 중요 지점이나 중요 상황이 발생한 경우에 해당 카메라를 30 fps로 집중 녹화하거나, 15 fps 정도의 압축 속도로 저장하고 나머지 압축 속도 15 fps로서 잔여 카메라의 영상 입력을 녹화하는 것을 가능하게 한다.
더욱이, 본 발명은 다수 카메라 입력을 처리할 수 있을 뿐 아니라, 임의의 압축 시간 비율을 영상 입력 채널 별로 조정할 수 있으므로 효과적이고 저렴한 시스템 구현을 가능하게 한다.

Claims (8)

  1. 복수개 채널의 동영상을 입력받아 압축 처리하여 저장하고 재생하는 다채널 디지털 비디오 레코더에 있어서,
    상기 복수개 채널의 동영상 프레임을 제어 로직부의 제어 신호 하에 선택적으로 전환하여 입력받는 비디오 스위치부;
    상기 비디오 스위치부가 상기 복수개 채널의 동영상을 멀티플렉싱 하여 출력하는 동영상 프레임을 디지털 비디오 신호로 변환하는 비디오 디코더;
    상기 비디오 스위치부에 입력되는 동영상의 입력 순서와 프레임 선택을 제어하며, 동영상 압축 프로세싱부에는 초당 선정된 개수의 프레임이 항시 입력되도록 제어하는 제어 로직부;
    상기 비디오 디코더가 출력하는 멀티플렉싱 되어 혼재된 상기 복수개 채널의 동영상 프레임을 저장하는 비디오 메모리;
    상기 비디오 메모리로부터 상기 제어 로직부의 제어 하에 초당 선정된 개수의 동영상 프레임(fps)을 입력받고, 입력되는 매 동영상 프레임마다 해당 비디오 채널 정보를 상기 제어 로직부로부터 넘겨받아 각각의 채널 별로 레퍼런스 프레임을 기준으로 현재 입력된 동영상 프레임을 비교하여 동영상 비디오 데이터를 채널 별로 압축 처리하는 동영상 압축 프로세싱부;
    상기 동영상 압축 프로세싱부가 처리하는 각각의 비디오 채널에 대응하여 데이터 압축을 위한 상기 레퍼런스 프레임을 상기 각각의 비디오 채널 별로 저장하는제1 메모리 영역;
    상기 동영상 압축 프로세싱부가 처리하는 각각의 비디오 채널에 대응하여 데이터 압축을 위한 매 동영상 프레임의 파라미터를 저장하는 제2 메모리 영역
    을 포함하는 다채널 동영상 압축 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 메모리 영역은 엠펙 스트림 처리를 위하여 재생 버퍼(reconstruction buffer)와 순방향 재생 버퍼(forward reconstruction buffer)를 각각의 채널 별로 할당하여 구비하는 것을 특징으로 하는 다채널 동영상 압축 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비디오 메모리는 각각의 채널 별로 할당하지 않고, 시간 흐름 순서대로 공유하는 링 버퍼 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 다채널 동영상 압축 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비디오 디코더는 상기 동영상 압축 프로세싱부가 초당 처리 프레임수(fps; frame per second)를 선정된 값으로 유지할 수 있도록 복수 개를 사용하는 것을 특징으로 하는 다채널 동영상 압축 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 동영상 압축 프로세싱부는 엠펙 방식의 데이터 압축을 수행하는 것을 포함하는 다채널 동영상 압축 장치.
  6. 복수개 채널의 동영상을 입력받아 하나의 동영상 압축 프로세서가 처리하는 방법에 있어서,
    (a) 복수개 채널의 동영상 프레임을 비디오 스위치를 통해 선택적으로 전환하여 멀티플렉싱 하고 순차적으로 각각의 동영상 프레임을 디지털 비디오 신호로 디코딩하는 단계;
    (b) 상기 동영상 압축 프로세서는 상기 단계 (a)에서 디코딩된 디지털 비디오 데이터가 저장된 비디오 메모리로부터 초당 선정된 프레임수에 해당하는 분량의 디지털 비디오 데이터를 가져와서, 각각의 프레임별 채널 정보를 독출하는 단계;
    (c) 상기 동영상 압축 프로세서는 상기 단계 (b)에서 독출한 채널 정보에 따라 상기 비디오 메모리로부터 가져온 디지털 비디오 데이터를, 각각의 채널 별로 저장되어 있는 레퍼런스 비디오 정보 및 파라미터를 이용하여, 각각의 채널 별로 데이터 압축 처리하는 단계
    를 포함하는 다채널 동영상 압축 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 (c)는 엠펙 방식의 데이터 압축 처리를 수행하고, 각각의 채널 별로 할당된 재생 버퍼(reconstruction buffer)와 순방향 재생 버퍼(forward reconstruction buffer)를 참조하여 각각의 영상 채널 별로 동영상 프레임의 상관 관계를 산출하여 데이터 압축 처리하는 단계를 포함하는 다채널 동영상 압축 방법.
  8. 복수개 채널의 동영상을 입력받아 하나의 동영상 압축 프로세서가 처리하는 방법에 있어서,
    (a) 복수개 채널의 아날로그 동영상 프레임을 비디오 스위치를 통해 선택적전환하여 멀티플렉싱함으로써 순차적으로 입력되는 일련의 동영상 프레임에 대하여, 각각의 동영상 프레임을 디지털 비디오 신호로 디코딩하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 디코딩한 디지털 비디오 신호를 비디오 메모리에 저장하는 단계;
    (c) 상기 동영상 압축 프로세서는 상기 비디오 메모리로부터 초당 선정된 프레임수에 해당하는 분량의 디지털 비디오 데이터를 전송 요청하고, 전송된 각각의 프레임별 디지털 비디오 신호에 대응된 채널 정보를 독출하는 단계;
    (d) 상기 동영상 압축 프로세서는 상기 단계 (c)에서 독출한 채널 정보에 따라 상기 비디오 메모리로부터 가져온 디지털 비디오 데이터를 압축하기 위하여, 채널별 레퍼런스 프레임을 저장하는 제1 기억 수단과 파리미터 정보를 저장하는 제2 기억 수단으로부터 압축을 위한 정보를 독출하여 각각의 채널 별로 레퍼런스 프레임과의 상관 관계로부터 데이터를 압축 처리하는 단계
    를 포함하는 다채널 동영상 압축 방법.
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