CN102724535A - 一种体扫描三维显示器的显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体扫描三维显示器的显示方法，包括：采用数据获取模块获取三维图像的笛卡尔坐标数据与颜色数据；将获取的笛卡尔坐标数据与颜色数据以(x，y，z，r，g，b)格式存入数据存储模块；将笛卡尔坐标数据通过数据处理模块进行归一化处理；通过数据处理模块将归一化的笛卡尔坐标数据映射到柱坐标系，再映射到显示器屏幕坐标系上，并将柱坐标系数据与显示器屏幕坐标系数据存入数据存储模块；数据处理模块将显示器屏幕坐标系数据传输至显示器。本发明的体扫描三维显示器与传统技术相比具有图像逼真、全视景、多角度、多人同时观察和实时交互等众多优点，并且提供了三种图片源数据的获取方法，扩大了体扫描三维显示器的应用领域。

Description

一种体扫描三维显示器的显示方法

技术领域

本发明属于计算机视觉和三维显示领域，尤其涉及一种体扫描三维显示器的显示方法。

背景技术

人类获得对机体生存具有重要意义的各种信息80％以上来自视觉，随着电子计算机技术的发展，纷繁复杂的显示设备应运而生。阿凡达3D电影诞生以后，更是宣告了3D显示时代的来临，体三维真彩色显示器是近年来用涌现的新产品，它具有图像逼真、全视景、多角度、多人同时观察和实时交互等众多优点。不同于市面上的行扫描方式的显示器，它采用动态体扫描技术真正实现了真三维显示。

然而这种新产品大部分都是处于试验或科学研究阶段，一方面是因为硬件上价格的偏高(数据传输的带宽比较高和显示器驱动的led数量巨大使得MCU的配置和数量上要求比较高)以及机械结构的不稳定性(高速的旋转的巨大显示屏，其威力不亚于飞机的螺旋桨，克服各种动平衡，安全措施以及电机长时间在密封环境下转动带来的散热问题)；更大的原因是片源选择或获取方法的单一性(局限于单个领域或特定数学参数的模型)，严重限制了他的应用范围。

发明内容

本发明克服了现有技术中对于体三维显示的应用范围限制的缺陷，提出了一种体扫描三维显示器的显示方法。本发明的3D模型数据的获取将不再受环境，数学参数的限制，可以把体扫描三维显示器应用到各个行业。

本发明提出了一种体扫描三维显示器的显示方法，包括：

步骤一：采用数据获取模块获取三维图像的笛卡尔坐标数据与颜色数据；

步骤二：将获取的所述笛卡尔坐标数据与颜色数据以(x，y，z，r，g，b)格式存入数据存储模块；

步骤三：将所述笛卡尔坐标数据通过数据处理模块进行归一化处理；

步骤四：通过所述数据处理模块将所述归一化的笛卡尔坐标数据映射到柱坐标系，再映射到显示器屏幕坐标系上，并将所述柱坐标系数据与显示器屏幕坐标系数据存入所述数据存储模块；

步骤五：所述数据处理模块将所述显示器屏幕坐标系数传输至显示器。

其中，所述步骤一中，所述数据获取模块获取数据的方法为以下任意一种方法：

方法A1：当所述三维图像为虚拟对象时，通过3D建模软件获取所述虚拟对象的笛卡尔坐标数据和颜色数据；

方法A2：当所述三维图像为横截面图片的集合时，设定所述集合的笛卡尔坐标数据，并根据所述横截面图片的亮度获取所述集合的颜色数据；或

方法A3：当所述三维图像为实物对象时，利用至少五台摄像机采集所述实物对象的图像，通过三维重建获取所述笛卡尔坐标数据与颜色数据。

其中，所述步骤三中归一化处理方法的步骤依次包括：

步骤B1：根据所述数据存储模块中的笛卡尔坐标数据获取x，y，z坐标方向的最大值与最小值xmax，ymax，zmax，xmin，ymin，zmin；

步骤B2：求取所述坐标方向的最大值与最小值的平均值，得到中心坐标xcenter，ycenter，zcenter；

步骤B3：将所述三维图像进行移位，所述中心坐标与笛卡尔坐标系的原点重合。

步骤B4：获取所述显示器的分辨率Nh*Nv；

步骤B5：求取所述x，y，z坐标方向的半径xradius，yradius，zradius；

步骤B6：求取所述三维图像的缩放系数scale；

步骤B7：根据所述缩放系数scale对所述三维图像进行比例缩放，得到所述归一化的笛卡尔坐标数据。

其中，所述步骤B2中，所述中心坐标的计算方法，以如下公式(I)表示：

xcenter＝(xmax+xmin)/2；ycenter＝(ymax+ymin)/2；zcenter＝(zmax+zmin)/2；    (I)

式(I)中，xcenter，ycenter，zcenter分别为所述中心坐标的数值；xmax，xmin分别为所述笛卡尔坐标数据中x坐标方向的最大值与最小值；ymax，ymin分别为所述笛卡尔坐标数据中y坐标方向的最大值与最小值；zmax，zmin分别为所述笛卡尔坐标数据中z坐标方向的最大值与最小值。

其中，所述步骤B5中方向半径的计算方法，以如下公式(II)表示：

xradius＝xmax-xmin；yradius＝ymax-ymin；zradius＝zmax-zmin；    (II)

式(II)中，xradius，xmax，xmin分别为所述x坐标方向的半径、最大值与最小值；yradius，ymax，ymin分别为所述y坐标方向的半径、最大值与最小值；zradius，zmax，zmin分别为所述z坐标方向的半径、最大值与最小值。

其中，所述步骤B5中，所述缩放系数scale以如下公式(III)表示：

$\mathrm{scale}=\left[\max (\frac{\sqrt{{\mathrm{xradius}}^2+{\mathrm{yradius}}^2}}{\mathrm{Nh}},\frac{\mathrm{zradius}}{\mathrm{Nv}})\right]+1---\left(\mathrm{III}\right)$

式(III)中，scale为所述缩放系数，xradius，yradius，zradius为x，y，z坐标方向的半径，Nh与Nv分别为所述显示器的分辨率水平像素数与垂直像素数。

其中，所述步骤B7中，所述比例缩放通过将所述坐标数据除以所述缩放系数，得到所述归一化的坐标数据。

其中，所述步骤四中，将所述坐标数据映射至柱坐标系得到所述柱坐标系数据，以如下公式(IV)表示：

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{x^2+y^2};\mathrm{\θ}=\arctan (y/x);z=z;---\left(\mathrm{IV}\right)$

式(IV)中，θ，ρ，z分别为所述柱坐标系的三个坐标，x，y，z分别为所述笛卡尔坐标数据。

其中，所述步骤四中，将所述柱坐标系映射至所述显示器屏幕坐标系得到显示器屏幕坐标系数据，以如下公式(V)表示：

$h=\mathrm{Nv}/2-z;w=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Nh}/2+\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}>0)\\ \mathrm{Nh}/2-\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}<0)\end{array}\right.;z=z;---\left(V\right)$

式(V)中，h，w，θ分别为所述显示器屏幕坐标系的三个坐标；θ，ρ，z分别为所述柱坐标系的三个坐标；Nh与Nv分别为所述显示器的分辨率水平像素数与垂直像素数。

其中，所述柱坐标系数据按照(θ，ρ，z，r，g，b)的格式存入所述数据存储模块；所述显示器屏幕坐标系数据按照(h，w，θ，r，g，b)的格式存入所述数据存储模块。

其中，所述数据处理模块通过TCP/IP协议将所述显示器屏幕坐标系数据传输至所述显示器。

本发明有益效果包括：本发明提供了三种图片源数据的获取方法，扩大了体扫描三维显示器的应用领域。与传统技术相比较，本发明具有图像逼真、全视景、多角度、多人同时观察和实时交互等众多优点。

附图说明

图1为本发明体扫描三维显示器显示方法的流程图。

图2为本发明数据归一化流程示意图。

图3为本实施例中数据归一化流程示意图。

图4为本发明坐标映射中数据搜寻与赋值的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种体扫描三维显示器的显示方法，包括：

步骤一：采用数据获取模块获取三维图像的坐标数据与颜色数据；

步骤二：将获取的数据以(x，y，z，r，g，b)格式存入数据存储模块；

步骤三：将坐标数据通过数据处理模块进行归一化处理；

步骤四：通过数据处理模块将归一化的坐标数据映射到柱坐标系，再映射到显示器屏幕坐标系上，并将柱坐标系数据与显示器屏幕坐标系数据存入数据存储模块；

步骤五：数据处理模块将显示器屏幕坐标系数传输至显示器。

步骤一中，数据获取模块获取图片源数据的方法包括三种数据获取方法：

(1)对于部分广告，动漫或科幻等一些现实不存在的对象，采用现在成熟的3D建模软件，例如3DMAX。建好模型生成一种以ASE为后缀名的文件，它是一种说明性的脚本文件，包含网络顶点数目，网格顶点坐标，网格纹理顶点坐标，对应渲染的贴图，网格法向量坐标等。本发明只需要从中读取网格顶点数目，分配一部分内存，把网格顶点坐标(x，y，z)分别读进开辟的内存里；再读取网格纹理顶点坐标(x，y)去按照这个坐标查找对应贴图里RGB24位真彩色存在内存里。获取需要的最终坐标形式(x，y，z，r，g，b)。

(2)对于通过扫描横截面获取的图片数据，例如医学方面的CT图片组。对于每一片CT图片的X，Y保持不变，读取其对应的亮度值都赋予其r，g，b然后赋予每一片对应的z坐标，获取需要的最终坐标形式(x，y，z，r，g，b)。

(3)对于现实真实的对象，例如一个茶壶或一个人。本发明用两台摄像机实时采集三维物体即用数学方法消除摄像机的镜头畸变；调整摄像机的角度和距离，使其输出“行对准”的图像；对两幅校准后的图像进行匹配得出视差图；通过三角测量的方法把色差图还原为深度距离，达到三维重建的效果。获取需要的最终坐标形式(x，y，z，r，g，b)。

如图2所示，步骤三中，将坐标数据通过数据处理模块进行归一化处理的具体步骤依次为：

步骤B1：求取在数据存储模块中以(x，y，z，r，g，b)格式存储的x，y，z坐标方向数据的最大值和最小值xmax，ymax，zmax，xmin，ymin，zmin。

步骤B2：根据最大值与最小值获取整个对象的中心坐标(xcenter，ycenter，zcenter)，中心坐标的计算方法如式(I)所示：

xcenter＝(xmax+xmin)/2；ycenter＝(ymax+ymin)/2；zcenter＝(zmax+zmin)/2    (I)

步骤B3：将整个对象的中心坐标移到笛卡尔坐标系的原点，即x＝x-xcenter，y＝y-ycenter，z＝z-zcenter。

步骤B4：获取显示器的分辨率Nh*Nv，Nh为显示器分辨率的水平像素数，Nv为显示器分辨率的垂直像素数。

步骤B5：根据三个坐标方向的最大值与最小值求取x，y，z坐标方向的半径，如式(II)所示：

xradius＝(xmax-xmin)/2；yradius＝(ymax-ymin)/2；zradius＝(zmax-zmin)/2；    (II)

步骤B6：根据显示器分辨率求取三维图像的缩放系数scale：

根据判决条件当结果为真时，

取整数后作为scale；当结果为假时，zradius/Nv取整数为scale。scale在原有数值上加1(scale＝scale+1)，得到缩放系数scale。

步骤B7：根据缩放系数scale对三维图像进行比例缩放，存储在数据存储模块中的位置数据都除以scale，得到归一化的笛卡尔坐标数据。

步骤四中，映射的具体方法为：

将归一化后的笛卡尔坐标数据映射至柱坐标系，映射方法如式(IV)所示：

$\mathrm{\&rho;}=\sqrt{x^2+y^2};\mathrm{\&theta;}=\arctan (y/x);z=z;---\left(\mathrm{IV}\right)$

将柱坐标系数据按照角度从0遍历到179，半径从1到屏宽度的一半，高度从上到下，根据显示器屏幕坐标系的坐标到数据存储模块中存储的柱坐标系数据去查询，如下条件判断：若h＝k[i].z，且|r*cosθ-k[i].x|≤1，|r*sinθ-k[i].y|≤1时，Δ＝|r*cosθ-x|+|r*sinθ-y|；当满足Δ＜0.5则搜索停止，把对应位置颜色值赋予此时对应显示器屏幕位置的颜色，即k[i].r，k[i].g，k[i].b赋予(h，w，θ)位置的颜色。若Δ≥0.5则，判断i＝total是否为真，如为否，则i+1，并继续前述三个条件判断操作；如为真，则对该位置的显示器屏幕颜色数据赋予(0，0，0)，并判断是否遍历所有的θ，r，如果是，结束查询，否则，改变θ，r，继续前述操作。由于是单面板，当遍历结束后180到359的数据可由0到179中获得即：(h，w，θ，r，g，b)＝(h，191-w，θ-180，r，g，b)。(其中k[i].j代表双层结构体里第i个小结构体里的j元素。)

柱坐标系与显示子屏幕坐标系的映射关系如式(V)所示：

$h=\mathrm{Nv}/2-z;w=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Nh}/2+\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}>0)\\ \mathrm{Nh}/2-\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}<0)\end{array}\right.;z=z;---\left(V\right)$

由于是单面板，当遍历结束后180到359的数据可由0到179中获得即：(h，w，θ，r，g，b)＝(h，191-w，θ-180，r，g，b)。

与现有技术相比，本发明方法不需要考虑片源是什么领域及其对象的数学参数，适用于所有领域的对象，极大提高了体三维真彩色显示器的应用范围，加速3D显示时代的发展。

实施例：

本实施例中，以一玩偶(例如，吉祥物“海宝”)为再现对象，采用的体扫描真三维显示器的分辨率为Nh*Nv为192*256。对该玩偶的三维立体显示过程如下：

首先，用数据获取模块获取要再现对象的笛卡尔形式的3D坐标数据及其对应的24位RGB真彩色数据(x，y，z，r，g，b)。

利用3DMAX建一个海宝的三维图像，对其进行渲染，导出工程的ASE文件，只需要用程序从中读取网格顶点数目建立一个双层结构体对象k，把网格顶点坐标(x，y，z)分别读进结构体内；再读取网格纹理顶点坐标(X，Y)去按照这个坐标查找对应贴图里RGB24位真彩色存在结构体内，分别为：k[i].x，k[i].y，k[i].z，k[i].r，k[i].g，k[i].b。将读取的坐标数据与颜色数据以(x，y，z，r，g，b)格式存储到数据存储模块。

其次，通过数据处理模块对坐标数据进行归一化处理：

如图3所示，对于在内存里的以(x，y，z，r，g，b)格式存储的数据，X，Y，Z三个方向的数据求取最大值和最小值即xmax，ymax，zmax，xmin，ymin，zmin。获取整个对象的中心坐标(xcenter，ycenter，zcenter)。xcenter＝(xmax+xmin)/2；ycenter＝(ymax+ymin)/2；zcenter＝(zmax+zmin)/2

对象X，Y，Z方向的半径分别为xradius，yradius，zradius。

xradius＝(xmax-xmin)/2；yradius＝(ymax-ymin)/2；zradius＝(zmax-zmin)/2

将整个对象的中心坐标一到坐标圆点，即x＝x-xcenter，y＝y-zcenter，z＝z-zcenter。然后结合显示器屏幕的分辨率(Nh*Nv)，求取对象的缩放的比例系数scale，通过条件判断

当结果为真时，

取整数为scale，结果为假时，zradius/256取整数为scale；最终scale＝scale+1。再将数据存储模块里的笛卡尔坐标数据除以scale，颜色数据不变，完成数据归一化过程。

然后，对坐标数据进行转换：

归一化后的笛卡尔坐标数据从笛卡尔坐标形式(x，y，z，r，g，b)变换到柱坐标的形式(θ，ρ，z，r，g，b)再变换到显示器屏幕(h，w，θ，r，g，b)具体的坐标变换过程为，

由笛卡尔坐标形式(x，y，z，r，g，b)映射到柱坐标系的形式(θ，ρ，z，r，g，b)的变换公式为：

$\mathrm{\&rho;}=\sqrt{x^2+y^2}$

θ＝arctgy/x

z＝z

由柱坐标的形式(θ，ρ，z，r，g，b)再映射到显示器屏幕(h，w，θ，r，g，b)的变换公式为：

h＝Nv/2-z

$w=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Nh}/2+\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}>0)\\ \mathrm{Nh}/2-\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}<0)\end{array}\right.$

z＝z

如图4所示，将柱坐标系数据按照角度从0遍历到179，半径从1到屏宽度的一半，高度从上到下，根据显示器屏幕坐标系的坐标到数据存储模块中存储的柱坐标系数据去查询，如下条件判断：若h＝k[i].z，且|r*cosθ-k[i].x|≤1，|r*sinθ-k[i].y|≤1时，Δ＝|r*cosθ-x|+|r*sinθ-y|；当满足Δ＜0.5则搜索停止，把对应位置颜色值赋予此时对应显示器屏幕位置的颜色，即k[i].r，k[i].g，k[i].b赋予(h，w，θ)位置的颜色。若Δ≥0.5则，判断i＝total是否为真，如为否，则i+1，并继续前述三个条件判断操作；如为真，则对该位置的显示器屏幕颜色数据赋予(0，0，0)，并判断是否遍历所有的θ，r，如果是，结束查询，否则，改变θ，r，继续前述操作。由于是单面板，当遍历结束后180到359的数据可由0到179中获得即：(h，w，θ，r，g，b)＝(h，191-w，θ-180，r，g，b)。

最后，将生成的数据安装实际硬件的电路结构排列一下后通过TCP/IP协议层传给显示器。

结果显示，本发明取得了较好的实施效果，三维图像呈现在眼前，很好地实现了三维重建和显示。与传统技术相比，本发明具有图像逼真、全视景、多角度、多人同时观察和实时交互等众多优点。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用数据获取模块获取三维图像的笛卡尔坐标数据与颜色数据；

步骤二：将获取的所述笛卡尔坐标数据与颜色数据以(x，y，z，r，g，b)格式存入数据存储模块；

步骤三：将所述笛卡尔坐标数据通过数据处理模块进行归一化处理；

步骤四：通过所述数据处理模块将所述归一化的笛卡尔坐标数据映射到柱坐标系，再映射到显示器屏幕坐标系上，并将所述柱坐标系数据与显示器屏幕坐标系数据存入所述数据存储模块；

步骤五：所述数据处理模块将所述显示器屏幕坐标系数传输至显示器。

2.如权利要求1所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤一中，所述数据获取模块获取数据的方法为以下任意一种方法：

方法A1：当所述三维图像为虚拟对象时，通过3D建模软件获取所述虚拟对象的笛卡尔坐标数据和颜色数据；

方法A2：当所述三维图像为横截面图片的集合时，设定所述集合的笛卡尔坐标数据，并根据所述横截面图片的亮度获取所述集合的颜色数据；或

方法A3：当所述三维图像为实物对象时，利用至少五台摄像机采集所述实物对象的图像，通过三维重建获取所述笛卡尔坐标数据与颜色数据。

3.如权利要求1所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤三中归一化处理方法的步骤依次包括：

步骤B1：根据所述数据存储模块中的笛卡尔坐标数据获取x，y，z坐标方向的最大值与最小值xmax，ymax，zmax，xmin，ymin，zmin；

步骤B2：求取所述坐标方向的最大值与最小值的平均值，得到中心坐标xcenter，ycenter，zcenter；

步骤B3：将所述三维图像进行移位，所述中心坐标与笛卡尔坐标系的原点重合；

步骤B4：获取所述显示器的分辨率Nh*Nv；

步骤B5：求取所述x，y，z坐标方向的半径xradius，yradius，zradius；

步骤B6：求取所述三维图像的缩放系数scale；

步骤B7：根据所述缩放系数scale对所述三维图像进行比例缩放，得到所述归一化的笛卡尔坐标数据。

4.如权利要求3所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤B2中，所述中心坐标的计算方法，以如下公式(I)表示：

xcenter＝(xmax+xmin)/2；ycenter＝(ymax+ymin)/2；zcenter＝(zmax+zmin)/2；    (I)

式(I)中，xcenter，ycenter，zcenter分别为所述中心坐标的数值；xmax，xmin分别为所述笛卡尔坐标数据中x坐标方向的最大值与最小值；ymax，ymin分别为所述笛卡尔坐标数据中y坐标方向的最大值与最小值；zmax，zmin分别为所述笛卡尔坐标数据中z坐标方向的最大值与最小值。

5.如权利要求3所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤B5中方向半径的计算方法，以如下公式(II)表示：

xradius＝xmax-xmin；yradius＝ymax-ymin；zradius＝zmax-zmin；    (II)

式(II)中，xradius，xmax，xmin分别为所述x坐标方向的半径、最大值与最小值；yradius，ymax，ymin分别为所述y坐标方向的半径、最大值与最小值；zradius，zmax，zmin分别为所述z坐标方向的半径、最大值与最小值。

6.如权利要求5所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤B5中，所述缩放系数scale以如下公式(III)表示：

$\mathrm{scale}=\left[\max (\frac{\sqrt{{\mathrm{xradius}}^2+{\mathrm{yradius}}^2}}{\mathrm{Nh}},\frac{\mathrm{zradius}}{\mathrm{Nv}})\right]+1---\left(\mathrm{III}\right)$

式(III)中，scale为所述缩放系数，xradius，yradius，zradius为x，y，z坐标方向的半径，Nh与Nv分别为所述显示器的分辨率水平像素数与垂直像素数。

7.如权利要求6所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤B7中，所述比例缩放通过将所述坐标数据除以所述缩放系数，得到所述归一化的坐标数据。

8.如权利要求1所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤四中，将所述坐标数据映射至柱坐标系得到所述柱坐标系数据，以如下公式(IV)表示：

$\mathrm{\&rho;}=\sqrt{x^2+y^2};\mathrm{\&theta;}=\arctan (y/x);z=z;---\left(\mathrm{IV}\right)$

式(IV)中，θ，ρ，z分别为所述柱坐标系的三个坐标，x，y，z分别为所述笛卡尔坐标数据。

9.如权利要求1所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述步骤四中，将所述柱坐标系映射至所述显示器屏幕坐标系得到显示器屏幕坐标系数据，以如下公式(V)表示：

$h=\mathrm{Nv}/2-z;w=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Nh}/2+\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}>0)\\ \mathrm{Nh}/2-\mathrm{\&rho;}& (\mathrm{\&theta;}<0)\end{array}\right.;z=z;---\left(V\right)$

式(V)中，h，w，θ分别为所述显示器屏幕坐标系的三个坐标；θ，ρ，z分别为所述柱坐标系的三个坐标；Nh与Nv分别为所述显示器的分辨率水平像素数与垂直像素数。

10.如权利要求8或9所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述柱坐标系数据按照(θ，ρ，z，r，g，b)的格式存入所述数据存储模块；所述显示器屏幕坐标系数据按照(h，w，θ，r，g，b)的格式存入所述数据存储模块。

11.如权利要求1所述的体扫描三维显示器的显示方法，其特征在于，所述数据处理模块通过TCP/IP协议将所述显示器屏幕坐标系数据传输至所述显示器。

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