TWI831335B - 沉浸式空間音訊消音系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種沉浸式空間音訊消音系統,包括音訊設備本體、音訊輸出裝置、以及消噪裝置。該音訊輸出裝置依據該音訊處理裝置的音源訊號於沉浸式區域空間輸出播放音訊。該消噪裝置包括誤差麥克風、降噪音訊處理模組、以及降噪音訊輸出裝置。該誤差麥克風於環境中接收該音訊輸出裝置所輸出的該播放音訊,該降噪音訊處理模組根據該播放音訊修正濾波器係數並依據所接收到的該音源訊號經由修正後的該濾波器係數生成反向抵消音訊,該降噪音訊輸出裝置係朝向非沉浸式區域空間以抵消該非沉浸式區域空間中的該播放音訊。

Description

沉浸式空間音訊消音系統
本發明涉及一種音訊消音系統,尤指一種可以降低非沉浸空間音量的沉浸式空間音訊消音系統。
現今的影音產品,相當講究使用者的觀影及聆聽體驗,研發人員無不在相關技術領域上努力研發。為了讓使用者帶入沉浸式體驗(Immersive Experience)的效果,目前市面上多數的產品會利用多聲道音效體驗(例如雙聲道、5.1聲道、5.12聲道、7.12聲道等)或是提升聲音的指向性提升使用者的沉浸感,藉此增加使用者的觀影及聆聽感受。然而不管是單聲道、或是多聲道的音效設備,使用者往往為了提升沉浸感因而不自覺的增加設備的音效音量,造成這些音效外溢至周邊進而影響其他人,造成使用者本人及他人的困擾。
例如一般人在看電視的時候,常常會不自覺想將音量調大以增加聽感效能,然而在周遭附近或其他區域想休息或是專心進行閱讀的人,常常會被使用者看電視的音量打擾而無法好好休息。而這樣的配置,在多聲道或是虛擬多聲道的情況下由於音效會經由四面八方各種方向上輸出,將導致這些外溢的聲音更可能會進一步對更多人造成影響。
本發明的主要目的,在於提供一種沉浸式空間音訊消音系統,包括一音訊設備本體、一音訊輸出裝置、以及至少一消噪裝置。該音訊輸出裝置設置於該音訊設備本體上,用以連接於該音訊設備本體上的音訊處理裝置,並依據該音訊處理裝置的音源訊號於一沉浸式區域空間輸出播放音訊。該消噪裝置設置於該音訊設備本體上。該消噪裝置包括至少一誤差麥克風、一連接至該誤差麥克風以及該音訊輸出裝置的降噪音訊處理模組、以及至少一連接至該降噪音訊處理模組的降噪音訊輸出裝置,該誤差麥克風用以於環境中接收該音訊輸出裝置所輸出的該播放音訊,該降噪音訊處理模組根據該播放音訊修正濾波器係數並依據所接收到的該音源訊號經由修正後的該濾波器係數生成反向抵消音訊,該降噪音訊輸出裝置係朝向一非沉浸式區域空間以抵消該非沉浸式區域空間中的該播放音訊。
進一步地,該消噪裝置的數量為複數個並設置於該音訊設備本體的周側,並依據出廠配置或依據設定選定所欲消除音訊的該非沉浸式區域空間。
進一步地,該消噪裝置陣列分布於該音訊設備本體的正面、背面、左側面、右側面、頂側面、以及底側面。
進一步地,該消噪裝置的數量為二並成對分別設置於該音訊設備本體的兩側,以消除兩側非沉浸式區域空間的該播放音訊。
進一步地,左側的該消噪裝置的該反向抵消音訊輸出方向與該音訊設備本體與該沉浸式區域空間為中心的虛擬面之間的夾角為20度至90度之間,右側的該消噪裝置的該反向抵消音訊輸出方向與該音訊設備本體與該沉浸式區域空間為中心的虛擬面之間的夾角為20度至90度之間。
進一步地,該降噪音訊處理模組係包括一自適應濾波器,該自適應濾波器係依據以下的式子生成該反向抵消音訊: y[k]=−a(1)y[k−1]−a(2)y[k−2]−…−a(q)y[k−q]+b(0)x[k]+b(1)x[k-1]+…+b(p)x[k-p]; 其中,y[k]為第k階輸出的該反向抵消音訊,x[k]為第k階輸入的該音源訊號,p及q為依據需求設定的階數,k階數為p及q中的最大值,b(0)-b(p)以及a(1)-a(q)為該濾波器係數。
進一步地,該消噪裝置包括一係數調變模組,該係數調變模組係連接至該自適應濾波器以及該誤差麥克風並預存有一第一誤差聲量閾值、一第二誤差聲量閾值、以及一第三誤差聲量閾值,該係數調變模組由該誤差麥克風監視該播放音訊的聲量數值,依序調整b(1)至b(n)係數直至該聲量數值下降至該第一誤差聲量閾值,調整b(n)至b(m)係數直至該聲量數值下降至該第二誤差聲量閾值,調整b(m)至b(p)係數直至該聲量數值下降至該第三誤差聲量閾值,其中p>m>n>1。
進一步地,數值n係等於數值 、且數值m係等於數值
進一步地,該係數調變模組包括最小均方濾波器用以依據該播放音訊的誤差均方值調整該自適應濾波器的係數。
進一步地,該音訊設備本體係為電視、筆電、行動裝置、聲霸、或是車用頭單元(Head Unit)。
是以,本發明在音訊設備本體上面設置消噪裝置,可以通過消噪裝置產生反向抵消音訊以消除非沉浸式區域的音量,降低提升音效時對周遭環境的影響。本發明亦可以提升音訊的指向效果,通過在特定區域消除音量,使音波的傳輸角度縮減,藉此提升音訊的立體效果。
有關本發明之詳細說明及技術內容,現就配合圖式說明如下。再者,本發明中之圖式,為說明方便,其比例未必按實際比例繪製,該等圖式及其比例非用以限制本發明之範圍。
於本發明中所述的「裝置」、「器」、「模組」及其對應執行的功能,可以由單一晶片或複數個晶片的組合協同執行,該等晶片配置的數量非屬本發明所欲限定的範圍。此外,所述的晶片可以為但不限定於處理器(Processor)、中央處理器(Central Processing Unit, CPU)、微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits, ASIC) 、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device, PLD)等裝置的組合,於本發明中不予以限制。
本發明所揭示的沉浸式空間音訊消音系統可以應用於電視、筆電、行動裝置、聲霸(Soundbar)、甚或是車用頭單元(Head Unit)等音效設備上,通過消噪裝置控制該等音效裝置的音效輸出方向或作用範圍,藉此降低外溢的聲音對非作用目標區域的影響。
以下針對本發明的其中一實施例進行說明,請先參閱「圖1」及「圖2」,係為本發明沉浸式空間音訊消音系統的方塊示意圖(一)及方塊示意圖(二),如圖所示:本實施例的沉浸式空間音訊消音系統100主要包括音訊設備本體10、以及消噪裝置20。
所述的音訊設備本體10係為任意的影音音響設備,具體而言例如可以是但不限定於電視、筆電、行動裝置、聲霸、甚或是車用頭單元等設備。該音訊設備本體10係包括有音訊處理裝置11以及音訊輸出裝置12,音訊處理裝置11例如可以是任意的音效卡、板載音效卡或是音效處理晶片等,該等音效卡例如包括解碼器、數位-類比轉換器(Digital to Analog Converter,DAC)、類比-數位轉換器(Analog to Digital Converter)、放大器、濾波器、聲音合成器等,於本發明中不予以限制。該音訊設備本體10係經由讀取儲存裝置的長期資料或暫存資料後,輸出音源訊號至音訊輸出裝置12,已經由該音訊輸出裝置12播放音訊。在此所述的音源訊號係指播放音訊的原始訊號,亦即電訊號、或是聲音訊號的原始檔案,在此先行敘明。
所述的音訊輸出裝置12設置於該音訊設備本體10上,用以連接於該音訊設備本體10上的音訊處理裝置11,並依據該音訊處理裝置11的音源訊號於沉浸式區域空間輸出播放音訊。該音訊輸出裝置12例如可以是任意的揚聲器或喇叭,亦可以例如是但不限定於單聲道、雙聲道、5.1聲道、5.12聲道、7.12聲道等音響裝置,於本發明中不予以限制。於一實施例中,音訊設備本體10更進一步包括一設置於該音訊處理裝置11輸出與該音訊輸出裝置12輸入之間的數位-類比轉換器13。
所述的消噪裝置20設置於該音訊設備本體10上。該消噪裝置20包括至少一誤差麥克風21、一連接至該誤差麥克風21以及該音訊輸出裝置12的降噪音訊處理模組22、以及至少一連接至該降噪音訊處理模組22的降噪音訊輸出裝置23。該誤差麥克風21用以於環境中接收該音訊輸出裝置12所輸出的該播放音訊;具體而言,該播放音訊係為真實場域的環境中的環境音訊,亦即經由音訊輸出裝置12所輸出的播放音訊,於實務 上誤差麥克風21所接收到的環境音訊會相較於原始的播放音訊產生路徑誤差,包括音訊輸出裝置12的音質或特性、環境因素等,本發明中的消噪裝置20將會通過自適應修正濾波器係數以消弭所述的誤差。
該降噪音訊處理模組22根據該播放音訊修正濾波器係數並依據所接收到的該音源訊號經由修正後的該濾波器係數生成反向抵消音訊,該降噪音訊輸出裝置23係朝向非沉浸式區域空間以抵消該非沉浸式區域空間中的該播放音訊。
於一實施例中,消噪裝置20包括連接於該誤差麥克風21後端的前置放大器211、連接於該前置放大器211後端的抗混疊濾波器212、以及連接於該抗混疊濾波器212後端的類比-數位轉換器213。最後,該類比-數位轉換器213輸出處理過後的該播放音訊至該降噪音訊處理模組22。
於一實施例中,消噪裝置20包括連接於該降噪音訊輸出裝置23前端的功率放大器231、連接於該功率放大器231前端的重建濾波器232、以及一連接於該重建濾波器232前端的數位-類比轉換器233。其中,數位-類比轉換器233接收降噪音訊處理模組22的反向抵消音訊。
於一實施例中,該降噪音訊處理模組22例如可以包括無限脈衝響應濾波器(Infinite Impulse Response Filter,IIR Filter)或有限脈衝響應濾波器(Finite Impulse Response Filter,FIR Filter),於本發明中不予以限制。
請一併參閱「圖3」,係為本發明中自適應濾波器的方塊示意圖,如圖所示:於本發明中的其中一較佳實施例,該降噪音訊處理模組22係包括至少一下面所述的自適應濾波器,每一該自適應濾波器包括1至p階的延遲器T11至T1p、0至p階的係數乘法器b(0)至b(p)、1至p階的加法器ad11至ad1p;以及包括1至q階的延遲器T21至T2q、0至q階的係數乘法器a(1)至a(q)、1至q階的加法器ad 21至ad 2q
其中係數乘法器b(0)的輸入係連接於音源訊號的輸出上,一階加法器ad 11的第一輸入係連接至係數乘法器b(0)的輸出,一階延遲器T 11的輸入係連接至於音源訊號的輸出,係數乘法器b(1)的輸入係連接至一階延遲器T 11的輸出,二階加法器ad 12的第一輸入連接至係數乘法器b(1)的輸出,二階加法器ad 12的輸出連接至一階加法器ad 11的另一輸入,二階延遲器T 12的輸入係連接至於一階延遲器T 11的輸出,係數乘法器b(2)的輸入係連接至二階延遲器T 12的輸出,三階加法器ad 13的第一輸入連接至係數乘法器b(2)的輸出,三階加法器ad 13的輸出連接至二階加法器ad 12的另一輸入…以此類推…至p階延遲器T 1p所屬的循環為止。
其中一階加法器ad 21的第一輸入係連接於一階加法器ad 11的輸出上,一階加法器ad 21的輸出係連接於降噪音訊處理模組22的輸出或下一組自適應濾波器的輸入,一階延遲器T 21的輸入係連接至於一階加法器ad 21的輸出,係數乘法器a(1)的輸入係連接至一階延遲器T 21的輸出,二階加法器ad 22的第一輸入連接至係數乘法器a(1)的輸出,二階加法器ad 22的輸出連接至一階加法器ad 21的另一輸入,二階延遲器T 22的輸入係連接至於一階延遲器T 21的輸出,係數乘法器a(2)的輸入係連接至二階延遲器T 22的輸出,三階加法器ad 23的第一輸入連接至係數乘法器a(2)的輸出,三階加法器ad 23的輸出連接至二階加法器ad 22的另一輸入…以此類推…至q階延遲器T 2q所屬的循環為止。
具體而言,該自適應濾波器係依據以下的式子生成反向抵消音訊: y[k]=−a(1)y[k−1]−a(2)y[k−2]−…−a(q)y[k−q]+b(0)x[k]+b(1)x[k-1]+…+b(p)x[k-p]; 其中,y[k]為第k階輸出的該反向抵消音訊,x[k]為第k階輸入的該音源訊號,p及q為依據需求設定的階數,k階數為p及q中的最大值,b(0)-b(p)以及a(1)-a(q)為該濾波器係數。
消噪裝置20包括一係數調變模組24連接至自適應濾波器以及誤差麥克風21,係數調變模組24係用以根據誤差麥克風21所接收到的播放音訊調整自適應濾波器的濾波器係數。於本發明的其中一較佳實施例中,為了讓自適應濾波器的係數更易於收斂,係數調變模組24預存有一第一誤差聲量閾值、一第二誤差聲量閾值、以及一第三誤差聲量閾值,該係數調變模組24由該誤差麥克風21監視該播放音訊的聲量數值,依序調整b(1)至b(n)係數直至該聲量數值下降至第一誤差聲量閾值,調整b(n)至b(m)係數直至該聲量數值下降至第二誤差聲量閾值,調整b(m)至b(p)係數直至該聲量數值下降至第三誤差聲量閾值,其中p>m>n>1。更具體而言,係數調變模組24於大於第一誤差聲量閾值的狀態時係逐步調整b(1)至b(n)的濾波器係數,直到低於第一誤差聲量閾值時停止更新;接續,係數調變模組24於大於第二誤差聲量閾值的狀態時係逐步調整b(n)至b(m)的濾波器係數,直到低於第二誤差聲量閾值時停止更新;最後,係數調變模組24於大於第三誤差聲量閾值的狀態時係逐步調整b(m)至b(p)的濾波器係數,直到低於第三誤差聲量閾值時停止更新。其中,若初始偵測到的誤差聲量數值大於第二誤差聲量閾值但小於第一誤差聲量閾值,則直接逐步調整b(n)至b(m)的濾波器係數;若初始偵測到的誤差聲量數值大於第三誤差聲量閾值但小於第二聲量閾值,則直接逐步調整b(m)至b(p)的濾波器係數。所述的誤差聲量數值係為 誤差麥克風21所獲得的聲量,在此先行敘明。
於一實施例中,數值n係等於數值 、且數值m係等於數值
於一實施例中,係數調變模組24包括最小均方濾波器(Least Mean Square Filter, LMS Filter),通過自適應LMS演算法結合上述的次序逐步調整自適應濾波器的係數,具體而言,例如依據該播放音訊的誤差均方值調整該自適應濾波器的係數。
以下針對本發明中沉浸式空間音訊消音系統於消噪裝置具體配置結構的實施例進行較為詳細的說明,請一併參閱「圖4」至「圖6」,係為本發明第一實施例至第四實施例的配置示意圖。
關於第一實施例的部分,請先參閱「圖4」所示:於本實施例中,在音訊設備本體10上,消噪裝置20可以配置在任意的位置上,用以消除非沉浸式區域空間的播放音訊,其中沉浸式區域空間標示為A、非沉浸式區域空間標示為B。所述的位置例如可以是,以音訊設備本體10播放音訊的方向為正面時,配置於音訊設備本體10的背側面(如(a1)),以消除音訊設備本體10後側的播放音訊;配置於音訊設備本體10的左側面(如(a2)) ,以消除音訊設備本體10左側的播放音訊;配置於音訊設備本體10的右側面(如(a3)) ,以消除音訊設備本體10右側的播放音訊;配置於音訊設備本體10的頂側面(如(a4)),以消除音訊設備本體10上側的播放音訊;配置於音訊設備本體10的底側面(如(a5)) ,以消除音訊設備本體10底側的播放音訊;或是為複數個並配置於上述任意位置的組合上,於本發明中不予以限制。於另一實施例中,雖圖未示,但所述的消噪裝置20亦可以設置於音訊設備本體10的邊角位置、或轉角位置上,在此先行敘明。
關於第二實施例的部分,請參閱「圖5」所示:在音訊設備本體10上,消噪裝置20可以配置在音訊輸出裝置12的兩側,通過消除音訊輸出裝置12兩側的播放音訊,使音訊輸出裝置12的指向效果增加,避免過廣的音訊傳達範圍造成音場的紊亂,由圖式中可看到,通過兩側的消噪裝置20將增加兩側的非沉浸式區域空間B1的範圍,使沉浸式區域空間A1的傳達範圍變得狹窄。
關於第三實施例的部分,請參閱「圖6」所示:該消噪裝置20可以通過陣列分布於該音訊設備本體10的正面、背面、左側面、右側面、頂側面、以及底側面。例如(b1)中,消噪裝置20以陣列形式設置於音訊設備本體10的正面、背面、左側面、右側面、頂側面、以及底側面的面位置上;或是例如(b2)中,消噪裝置20以陣列形式設置於音訊設備本體10的各邊角處的邊位置上;或是例如(b3)中,消噪裝置20以陣列形式設置於音訊設備本體10的各轉角處的頂點位置上;或是上述位置的任意組合;亦或是在同一個面位置、邊位置、或頂點位置上同時設置複數個消噪裝置20以構成陣列,於本發明中不予以限制。在所述的實施例中,可依據出廠配置或依據設定選定所欲消除音訊的非沉浸式區域空間,藉此配合相應的環境配置出最佳的音場效果。
關於第四實施例的部分,請參閱「圖7」所示:該消噪裝置20的數量為二並成對分別設置於該音訊設備本體10的兩側,以消除兩側非沉浸式區域空間B2的該播放音訊。於一實施例中,左側的該消噪裝置20的該反向抵消音訊輸出方向D1與該音訊設備本體10與該沉浸式區域空間A2為中心的虛擬面PH之間的夾角θ1為20度至90度之間,右側的該消噪裝置20的該反向抵消音訊輸出方向D2與該音訊設備本體10與該沉浸式區域空間A2為中心的虛擬面PH之間的夾角θ2為20度至90度之間。
綜上所述,本發明在音訊設備本體上面設置消噪裝置,可以通過消噪裝置產生反向抵消音訊以消除非沉浸式區域的音量,降低提升音效時對周遭環境的影響。本發明亦可以提升音訊的指向效果,通過在特定區域消除音量,使音波的傳輸角度縮減,藉此提升音訊的立體效果。
以上已將本發明做一詳細說明,惟以上所述者,僅為本發明之一較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即凡依本發明請求項所作之均等變化與修飾,皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。
100:沉浸式空間音訊消音系統 10:音訊設備本體 11:音訊處理裝置 12:音訊輸出裝置 13:數位-類比轉換器 20:消噪裝置 21:誤差麥克風 211:前置放大器 212:抗混疊濾波器 213:類比-數位轉換器 22:降噪音訊處理模組 23:降噪音訊輸出裝置 231:功率放大器 232:重建濾波器 233:數位-類比轉換器 24:係數調變模組 T 11-T 1p:延遲器 b(0)-b(p):係數乘法器 ad 11-ad 1p:加法器 T 21-T 2q:延遲器 a(1)-a(q):係數乘法器 ad 21-ad 2q:加法器 A、A1、A2:沉浸式區域空間 B、B1、B2:非沉浸式區域空間 D1:反向抵消音訊輸出方向 θ1:夾角 D2:反向抵消音訊輸出方向 θ2:夾角 PH:虛擬面
圖1,本發明沉浸式空間音訊消音系統的方塊示意圖(一)。
圖2,本發明沉浸式空間音訊消音系統的方塊示意圖(二)。
圖3,本發明中自適應濾波器的方塊示意圖。
圖4,本發明第一實施例的配置示意圖。
圖5,本發明第二實施例的配置示意圖。
圖6,本發明第三實施例的配置示意圖。
圖7,本發明第四實施例的配置示意圖。
100:沉浸式空間音訊消音系統
10:音訊設備本體
11:音訊處理裝置
12:音訊輸出裝置
13:數位-類比轉換器
20:消噪裝置
21:誤差麥克風
211:前置放大器
212:抗混疊濾波器
213:類比-數位轉換器
22:降噪音訊處理模組
23:降噪音訊輸出裝置
231:功率放大器
232:重建濾波器
233:數位-類比轉換器
24:係數調變模組

Claims (8)

  1. 一種沉浸式空間音訊消音系統,包括:一音訊設備本體;一音訊輸出裝置,設置於該音訊設備本體上,用以連接於該音訊設備本體上的音訊處理裝置,並依據該音訊處理裝置的音源訊號於一沉浸式區域空間輸出播放音訊;以及二消噪裝置,成對分別設置於該音訊設備本體的兩側,各該消噪裝置包括至少一誤差麥克風、一連接至該誤差麥克風以及該音訊輸出裝置的降噪音訊處理模組、以及至少一連接至該降噪音訊處理模組的降噪音訊輸出裝置,該誤差麥克風用以於環境中接收該音訊輸出裝置所輸出的該播放音訊,該降噪音訊處理模組根據該播放音訊修正濾波器係數並依據所接收到的該音源訊號經由修正後的該濾波器係數生成反向抵消音訊,該降噪音訊輸出裝置係朝向一非沉浸式區域空間,其中左側的該消噪裝置的該反向抵消音訊輸出方向與該音訊設備本體與該沉浸式區域空間為中心的虛擬面之間的夾角為20度至45度之間,右側的該消噪裝置的該反向抵消音訊輸出方向與該音訊設備本體與該沉浸式區域空間為中心的虛擬面之間的夾角為20度至45度之間,以抵消兩側該非沉浸式區域空間中的該播放音訊。
  2. 如請求項1所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中該消噪裝置的數量為複數個並設置於該音訊設備本體的周側,並依據出廠配置或依據設定選定所欲消除音訊的該非沉浸式區域空間。
  3. 如請求項2所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中該消噪裝置陣列分布於該音訊設備本體的正面、背面、左側面、右側面、頂側面、以及底側面。
  4. 如請求項1所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中,該降噪音訊處理模組係包括一自適應濾波器,該自適應濾波器係依據以下的式子生成該反向抵消音訊:y[k]=-a(1)y[k-1]-a(2)y[k-2]-...-a(q)y[k-q]+b(0)x[k]+b(1)x[k-1]+...+b(p)x[k-p];其中,y[k]為第k階輸出的該反向抵消音訊,x[k]為第k階輸入的該音源訊號,p及q為依據需求設定的階數,k階數為p及q中的最大值,b(0)-b(p)以及a(0)-a(q)為該濾波器係數。
  5. 如請求項4所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中,該消噪裝置包括一係數調變模組,該係數調變模組係連接至該自適應濾波器以及該誤差麥克風並預存有一第一誤差聲量閾值、一第二誤差聲量閾值、以及一第三誤差聲量閾值,該係數調變模組由該誤差麥克風監視該播放音訊的聲量數 值,依序調整b(1)至b(n)係數直至該聲量數值下降至該第一誤差聲量閾值,調整b(n)至b(m)係數直至該聲量數值下降至該第二誤差聲量閾值,調整b(m)至b(p)係數直至該聲量數值下降至第三誤差聲量閾值,其中p>m>n>1。
  6. 如請求項5所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中,數值n 係等於數值
    Figure 111131306-A0305-02-0017-1
    、且數值m係等於數值
    Figure 111131306-A0305-02-0017-3
    -1。
  7. 如請求項5所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中,該係數調變模組包括最小均方濾波器用以依據該播放音訊的誤差均方值調整該自適應濾波器的係數。
  8. 如請求項1所述的沉浸式空間音訊消音系統,其中,該音訊設備本體係為電視、筆電、行動裝置、聲霸(Soundbar)、或是車用頭單元(Head Unit for automotive)。
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