KR101364084B1 - 영상 부호화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

영상 부호화 장치는 입력되는 한 프레임 영상을 변환 및 양자화한 후 설정된 부호화 방식으로 부호화하며, 양자화한 영상을 역변환 및 역양자화한 영상과 원 영상을 이용하여 오프셋 값을 계산하고 오프셋 값을 설정된 부호화 방식으로 부호화한다. 이때 영상 부호화 장치는 입력되는 한 프레임 영상을 무손실 압축하여 프레임 메모리부에 저장하고, 오프셋 값 계산 시 해당 압축 영상을 복원하여 사용한다.

Description

영상 부호화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ENCODING IMAGE}
본 발명은 영상 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 영상 부호화 시 참조 영상으로 사용할 원 영상의 압축에 관한 것이다.
H.264/AVC를 넘어선 높은 부호화 성능을 나타내는 HEVC(High Efficiency Video Coding)는 현재 국제 비디오 부호화 표준화 단체인 JCT-VC에서 표준화된 국제비디오 부호화 기술이다. HEVC를 이용한 부호화기의 경우 입력 영상을 참조 영상으로 사용하는데, 이를 위해 부호화기로 입력되는 영상을 그대로 프레임 메모리에 저장해야 하며, 이를 위해 큰 크기의 메모리가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 HEVC(High Efficiency Video Coding) 부호화 시 필요로 하는 프레임 메모리의 크기를 줄일 수 있는 영상 부호화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 영상을 부호화하는 장치가 제공된다. 영상 부호화 장치는 부호화부, 압축부, 그리고 복원부를 포함한다. 상기 부호화부는 입력되는 한 프레임 영상을 변환 및 양자화한 후 설정된 부호화 방식으로 부호화하며, 상기 양자화한 영상을 역변환 및 역양자화한 영상과 원 영상을 이용하여 오프셋 값을 계산하고 상기 오프셋 값을 상기 설정된 부호화 방식으로 부호화한다. 상기 압축부는 상기 한 프레임 영상을 설정된 무손실 압축 방식으로 압축하여 프레임 메모리부에 저장한다. 그리고 상기 복원부는 상기 부호화부의 요청에 해당하는 압축 영상을 상기 원 영상으로 복원하여 상기 부호화부로 전달한다.
상기 부호화부는 HEVC(High Efficiency Video Coding) 방식을 사용할 수 있으며, 상기 설정된 부호화 방식은 엔트로피 부호화 방식을 포함할 수 있다.
상기 무손실 압축 방식은 JPEG-LS(Joint Photographic Expert Group-Lossless) 방식을 포함할 수 있다.
상기 압축부는 상기 한 프레임 영상을 상기 복수의 블록 영상으로 분할하는 프레임 분할부, 한 프레임 영상의 복수의 블록 영상을 각각 동시에 상기 무손실 압축 방식으로 압축하여 복수의 블록 영상에 대한 복수의 코드 스트림을 생성하는 복수의 인코더, 그리고 상기 복수의 코드 스트림을 조합하여 하나의 압축 스트림을 생성하는 코드 조합기를 포함할 수 있다.
상기 압축 스트림의 파일은 파일 헤더와 서브 프레임을 포함하고, 상기 서브 프레임은 상기 복수의 코드 스트림을 각각 포함하는 복수의 데이터 필드, 그리고 각 데이터 필드 앞에 위치하며 해당 코드 스트림의 정보를 나타내는 복수의 서브 헤더를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 영상 부호화 장치에서 영상을 부호화하는 방법이 제공된다. 영상 부호화 방법은 입력되는 한 프레임 영상을 변환 및 양자화한 후 설정된 부호화 방식으로 부호화하는 단계, 상기 한 프레임 영상을 설정된 무손실 압축 방식으로 압축하여 프레임 메모리부에 저장하는 단계, 상기 프레임 메모리부로부터 참조 영상으로 사용할 압축 영상을 원 영상으로 복원하는 단계, 그리고 상기 양자화한 영상을 역변환 및 역양자화한 영상과 상기 원 영상을 이용하여 오프셋 값을 계산한 후 상기 설정된 부호화 방식으로 부호화하는 단계를 포함한다.
상기 저장하는 단계는 상기 한 프레임 영상을 복수의 블록 영상으로 분할하는 단계, 그리고 상기 복수의 블록 영상을 각각 동시에 무손실 압축 방식으로 압축하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 무손실 압축 방식은 JPEG-LS 방식을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 참조 영상으로 사용할 원 영상을 무손실 압축하여 프레임 메모리에 저장함으로써, 프레임 메모리의 크기를 줄일 수 있다.
또한 압축 시 멀티 코어 기반 기술을 적용함으로써, 무손실 영상 압축 처리 시간을 줄일 수 있어서 4K-UHD급 영상도 실시간 압축이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 부호화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 영상 부호화 장치의 영상 부호화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 단일 코어 구조의 압축부를 세부적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 멀티 코어 구조의 압축부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 영상 분할 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 코드 조합기에 의해 생성된 JPEG-LS 스트림의 파일 구조를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 영상 부호화 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 부호화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 영상 부호화 장치는 부호화부(100), 압축부(200), 복원부(300) 및 프레임 메모리부(400)를 포함한다.
부호화부(100)는 입력되는 영상을 설정된 부호화 방식으로 부호화한다.
부호화부(100)는 HEVC(High Efficiency Video Coding) 방식으로 입력되는 영상을 부호화할 수 있다. 구체적으로, 부호화부(100)는 입력되는 영상을 변환, 양자화 및 엔트로피 코딩을 거쳐서 부호화한다.
또한 부호화부(100)는 변환 및 양자화된 영상을 다시 역변환 및 역양자화를 통해 복원한 영상과 원 영상을 비교하여 오프셋 값을 구하고 구한 오프셋 값을 엔트로피 코딩을 거쳐서 부호화한다. 이렇게 부호화한 오프셋 값은 영상 복호화 장치에서 영상을 복원하는 데 이용할 수 있다.
압축부(200)는 부호화부(100)에서 입력되는 원 영상을 참조 영상으로 사용할 수 있도록 원 영상을 압축하여 프레임 메모리부(400)에 저장한다. 압축부(200)는 JPEG-LS(Joint Photographic Expert Group-Lossless) 방식으로 해당 영상을 무손실 압축할 수 있다. 압축부(200)는 단일 코어 구조로 해당 영상을 무손실 압축할 수 있고, 해당 영상을 복수의 블록 영상으로 나눈 후 각 블록 영 상을 동시에 무손실 압축하는 멀티 코어 구조로 해당 영상을 무손실 압축할 수도 있다.
이와 같이, 부호화부(100)에서 참조 영상으로 사용할 원 영상을 프레임 메모리부(400)에 압축하여 저장함으로써, 프레임 메모리부(400)의 크기를 줄일 수 있게 된다.
복원부(300)는 부호화부(100)의 제어에 따라 원 영상에 해당하는 압축 영상을 복원하여 부호화부(100)로 전달한다.
프레임 메모리부(400)에는 압축 영상이 저장되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 영상 부호화 장치의 영상 부호화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 부호화부(100)는 영상이 입력되면(S202), 입력되는 영상을 변환하고 변환된 값을 양자화한다(S204).
이와 같이 영상이 입력되어 변환 및 양자화가 수행되는 동안에 압축부(200)는 입력된 영상을 설정된 압축 방식에 따라서 무손실 압축하고(S206), 압축 영상을 프레임 메모리부(400)에 저장한다(S208).
부호화부(100)는 양자화가 완료되면 복원부(300)로 원 영상을 요청하는 영상 요청 신호를 전달한다(S210).
다음, 부호화부(100)는 양자화된 영상을 엔트로피 코딩한다(S212).
복원부(300)는 부호화부(100)로부터 영상 요청 신호를 수신하면(S214), 해당 원 영상의 압축 영상을 원 영상으로 복원하고(S216), 복원한 원 영상을 부호화부(100)로 전달한다(S218).
부호화부(100)는 복원부(300)로 영상 요청 신호를 전달한 후 변환 및 양자화된 영상을 다시 역변환 및 역양자화를 통해 영상을 복원한다(S220).
부호화부(100)는 복원부(300)로부터 원 영상을 수신하고(S222), 복원한 영상과 원 영상을 비교하여 오프셋 값을 계산한다(S224).
부호화부(100)는 계산한 오프셋 값을 엔트로피 코딩한다(S226).
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 단일 코어 구조의 압축부를 세부적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, 압축부(200)는 컨텍스트 결정부(210), 일반 모드(regular mode) 구동부(220), 런 모드(run mode) 구동부(230) 및 골롬 코딩부(240)를 포함하며, JPEG-LS(Joint Photographic Expert Group-Lossless) 방식으로 영상을 압축한다.
컨텍스트 결정부(210)는 국부 기울기(local gradient) 계산부(211), 모드 선택부(212), 양자화부(213) 및 양자화 테이블(214)을 포함한다.
일반 모드 구동부(220)는 에지 검출 예측부(221), 컨텍스트 테이블(222), 예측 보정부(223), 예측 오차 계산부(224), 골롬 코딩 변수 계산부(225), 오차 매핑부(226) 및 변수 업데이트부(227)을 포함한다.
런 모드 구동부(230)는 런 스캐닝부(231) 및 런 인터럽트 계산부(232)를 포함한다.
컨텍스트 결정부(210)에 대해 설명하면, 국부 기울기 계산부(211)는 코딩할 주목 화소(Ix)를 기준으로 복수의 주변 화소 예를 들면, 4개의 주변 화소(Ra, Rb, Rc, Rd)를 이용하여 3개의 변화분(gradient)(이하, "기울기"라 함)을 계산한다.
모드 선택부(212)는 국부 기울기 계산부(211)에 의해 구해진 3개의 기울기를 이용하여 코딩 모드를 선택한다. 모드 선택부(212)는 3개의 기울기가 동일하면 코딩 모드로 런 모드를 선택하고 3개의 기울기가 동일하지 않으면 코딩 모드로 일반 모드를 선택한다.
양자화부(213)는 양자화 테이블(214)을 이용하여 국부 기울기 계산부(211)에 의해 구해진 3개의 기울기를 양자화하여 3개의 양자화 값 Q1, Q2 및 Q3를 구하고 Q1, Q2 및 Q3로부터 컨텍스트 정수(Q)를 계산한다.
양자화 테이블(214)에는 기울기에 따른 양자화 값과 양자화 값에 따른 컨텍스트 정수가 매핑되어 저장되어 있다.
컨텍스트 결정부(210)의 모드 선택부(212)에 의해 코딩 모드가 일반 모드로 선택되면, 일반 모드 구동부(220)가 구동된다.
일반 모드 구동부(220)에 대해 설명하면, 에지 검출 예측부(221)는 주변 화소(Ra, Rb, Rc, Rd)로부터 주목 화소(Ix)의 값(Px)을 예측한다.
컨텍스트 테이블(222)에는 컨텍스트 정수(Q)에 대응하는 변수(N[Q], A[Q], B[Q], C[Q])가 저장되어 있다.
예측 보정부(223)는 컨텍스트 정수(Q)에 대응하는 변수(C[Q])를 이용하여 예측 값(Px)을 보정한다.
예측 오차 계산부(224)는 주목 화소(Ix)과 예측 보정부(223)에 의한 예측 보정 값(Px')으로부터 예측 오차 값(Errval)을 계산한다.
골롬 코딩 변수 계산부(225)는 컨텍스트 정수(Q)에 대응하는 변수(N[Q], A[Q])를 이용하여 골롬 코딩에 필요한 골롬 코딩 변수(k)를 계산한다.
오차 매핑부(226)는 골롬 코딩 변수(k)를 이용하여 예측 오차 값(Errval)을 음이 아닌 값에 매핑하고, 매핑된 예측 오차 값(MErrval)을 골롬 코딩부(240)로 전달한다.
변수 업데이트부(227)는 주목 화소(Ix)의 예측 오차 값(Errval)에 따라서 컨텍스트 테이블(222)의 변수(N[Q], A[Q], B[Q], C[Q])를 업데이트한다. 이렇게 업데이트된 변수(N[Q], A[Q], B[Q], C[Q])는 다음에 입력되는 화소의 코딩을 위해 사용된다.
컨텍스트 결정부(210)의 모드 선택부(212)에 의해 코딩 모드가 런 모드로 선택되면, 런 모드 구동부(230)가 구동된다.
런 모드 구동부(230)에 대해 설명하면, 런 스캐닝부(231)는 코딩 모드가 런 모드인 경우, 입력되는 주목 화소(Ix)로부터 런 길이(RUNcnt)를 결정한다. 즉, 런 스캐닝부(231)는 동일한 화소의 길이(개수)를 계산한다. 이를 위해 런 스캐닝부(231)는 주목 화소(Ix)와 하나의 주변 화소(Ra)가 동일한 경우 런 길이(RUNcnt)를 1씩 증가시키며, 입력되는 주목 화소와 주변 화소(Ra)가 달라질 때까지 동작한다. 또한 런 스캐닝부(231)는 한 라인의 모든 화소가 동일한 경우, 한 라인의 마지막 화소까지만 런 길이(RUNcnt)를 증가시킬 수 있으며, 이 경우 런 길이(RUNcnt)는 하 라인의 화소 개수와 동일해진다.
런 스캐닝부(231)는 결정한 런 길이(RUNcnt)를 골롬 코딩부(240)로 전달한다.
한편, 주목 화소(Ix)와 주변 화소(Ra)가 달라지는 경우, 런 인터럽트 계산부(232)가 동작한다. 런 인터럽트 계산부(232)는 해당 주목 화소(Ix)를 일반 모드와 동일하게 처리하며, 일반 모드 구동부(220)의 하드웨어 자원을 이용할 수 있다. 런 인터럽트 계산부(232)는 해당 주목 화소(Ix)에 대한 매핑된 예측 오차 값(MErrval')을 골롬 코딩부(240)로 전달한다.
골롬 코딩부(240)는 주목 화소(Ix)에 대한 코딩 모드가 일반 모드인 경우 골롬 코딩 함수를 이용하여 코딩하고, 주목 화소(Ix)에 대한 코딩 모드가 런 모드인 경우 런 길이(RUNcnt)를 코딩한다.
골롬 코딩부(240)는 이렇게 하여 주목 화소에 대한 코드 데이터를 생성하며, 한 프레임 영상의 모든 화소에 대한 코드 데이터를 조합하여 JPEG-LS 스트림이 생성한다.
이러한 단일 코어 구조의 압축 방식은 첫 번째 화소부터 순차적으로 압축 처리해야 하므로, 압축 처리 시간이 많이 소요된다. 따라서 멀티 코어 구조로 압축을 수행할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 멀티 코어 구조의 압축부를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 영상 분할 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 압축부(200')는 프레임 분할부(210'), 복수의 인코더(2201~220n) 및 코드 조합기(230')를 포함한다.
프레임 분할부(210')는 입력되는 한 프레임 영상을 복수의 블록 영상으로 나누고, 복수의 블록 영상을 각각 복수의 인코더(2201~220n)로 출력한다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이 한 프레임 영상은 16개의 블록 영상(B11, B12, B13, B14, B12, B22, B23, B14, B31, B32, B33, B34, B41, B42, B43, B44)으로 나누어질 수 있다.
복수의 인코더(2201~220n)는 각각 해당 블록 영상을 입력 받아 동시에 JPEG-LS 방식으로 코딩하여 복수의 코드 스트림을 생성한다. 인코더(2201~220n) 각각은 도 3에 도시한 컨텍스트 결정부(210), 일반 모드(regular mode) 구동부(220), 런 모드(run mode) 구동부(230) 및 골롬 코딩부(240)를 포함할 수 있다.
코드 조합기(230')는 복수의 인코더(2201~220n) 각각에서 생성한 복수의 코드 스트림을 조합하여 한 프레임 영상에 대한 JPEG-LS 스트림을 생성한다.
이와 같이, 멀티 코어 구조로 원 영상을 압축하면 압축 처리 시간이 현저하게 줄어들 수 있다. 따라서 화소 수가 많은 영상 예를 들어 4K(3840x2160)-UHD(Ultra High Definition)급 영상 또한 실시간 압축 및 복원도 가능해질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 코드 조합기에 의해 생성된 JPEG-LS 스트림의 파일 구조를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 한 프레임 영상에 대한 JPEG-LS 스트림의 파일은 파일 헤더와 서브 프레임을 포함한다.
파일 헤더는 JPEG-LS 스트림에 대한 정보를 포함한다. 예를 들어 파일 헤더에는 서브 프레임의 길이, 서브 프레임의 개수, 색 성분의 사양, 색상 성분의 수, 영상의 라인 수, 한 라인당 화소 수 등의 정보가 포함될 수 있다. 파일 헤더는 31 바이트로 이루어질 수 있다.
서브 프레임은 복수의 데이터 필드(D1~Dn)와 각 데이터 필드(D1~Dn) 앞에 위치하는 복수의 서브 헤더(SH1~SHn)를 포함한다.
복수의 데이터 필드(D1~Dn)는 각각 해당 블록 영상의 코드 데이터를 각각 포함한다. 복수의 서브 헤더(SH1~SHn)는 각각 해당 블록 영상의 코드 데이터의 정보를 포함한다. 즉, 복수의 서브 헤더(SH1~SHn)는 각각 블록 영상의 코드 데이터에 대한 JPEG 마커 정보를 포함할 수 있다.
하나의 블록 영상의 코드 데이터는 해당 블록 영상의 라인별 색상에 따른 스트림을 포함한다. 예를 들어, 하나의 블록 영상이 540라인으로 이루어지고, 청색(blue), 녹색(Green) 및 적색(Red)으로 색상이 표현되는 경우, 하나의 블록 영상의 코드 데이터는 540라인에 해당하는 청색, 녹색 및 적색 스트림(B, G, R)으로 구성될 수 있다. 그리고 하나의 블록 영상의 코드 데이터의 크기가 데이터 필드의 크기보다 작은 경우, 코드 조합기(230')는 데이터 필드의 남은 비트는 0으로 채울 수 있다.
그리고 이와 같이 압축된 JPEG-LS 스트림은 복원부(300)에 의해 복원된다.
복원부(300)는 부호화부(100)의 영상 요청 신호에 의해 압축된 JPEG-LS 스트림을 원 영상으로 복원하며, 압축부(200)의 압축 과정의 역과정을 통해서 원 영상으로 복원될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

  1. 영상을 부호화하는 장치로서,
    입력되는 한 프레임 영상을 설정된 무손실 압축 방식으로 압축하여 프레임 메모리부에 저장하는 압축부,
    상기 압축부에 의해 압축된 영상을 원 영상으로 복원하는 복원부, 그리고
    상기 입력되는 한 프레임 영상을 변환 및 양자화한 후 설정된 부호화 방식으로 부호화하며, 상기 양자화한 영상을 역변환 및 역양자화한 영상과 상기 복원부에 의해 복원된 원 영상을 이용하여 오프셋 값을 계산하고 상기 오프셋 값을 상기 설정된 부호화 방식으로 부호화하는 부호화부
    를 포함하는 영상 부호화 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 부호화부는 HEVC(High Efficiency Video Coding) 방식을 사용하며,
    상기 설정된 부호화 방식은 엔트로피 부호화 방식을 포함하는 영상 부호화 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 무손실 압축 방식은 JPEG-LS(Joint Photographic Expert Group-Lossless) 방식을 포함하는 영상 부호화 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 압축부는
    상기 한 프레임 영상을 복수의 블록 영상으로 분할하는 프레임 분할부,
    상기 복수의 블록 영상을 각각 동시에 상기 무손실 압축 방식으로 압축하여 상기 복수의 블록 영상에 대한 복수의 코드 스트림을 생성하는 복수의 인코더, 그리고
    상기 복수의 코드 스트림을 조합하여 하나의 압축 스트림을 생성하는 코드 조합기를 포함하는 영상 부호화 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 압축 스트림의 파일은 파일 헤더와 서브 프레임을 포함하고,
    상기 서브 프레임은 상기 복수의 코드 스트림을 각각 포함하는 복수의 데이터 필드, 그리고
    각 데이터 필드 앞에 위치하며 해당 코드 스트림의 정보를 나타내는 복수의 서브 헤더를 포함하는 영상 부호화 장치.
  6. 영상 부호화 장치에서 영상을 부호화하는 방법으로,
    입력되는 한 프레임 영상을 변환 및 양자화한 후 설정된 부호화 방식으로 부호화하는 단계,
    상기 한 프레임 영상을 설정된 무손실 압축 방식으로 압축하여 프레임 메모리부에 저장하는 단계,
    상기 프레임 메모리부로부터 참조 영상으로 사용할 압축 영상을 원 영상으로 복원하는 단계, 그리고
    상기 양자화한 영상을 역변환 및 역양자화한 영상과 복원된 상기 원 영상을 이용하여 오프셋 값을 계산한 후 상기 설정된 부호화 방식으로 부호화하는 단계
    를 포함하는 영상 부호화 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 저장하는 단계는
    상기 한 프레임 영상을 복수의 블록 영상으로 분할하는 단계, 그리고
    상기 복수의 블록 영상을 각각 동시에 무손실 압축 방식으로 압축하는 단계를 포함하는 영상 부호화 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 무손실 압축 방식은 JPEG-LS(Joint Photographic Expert Group-Lossless) 방식을 포함하는 영상 부호화 방법.
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