CN110855902A - 基于fpga的高精度多路航测相机曝光时间同步装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置及方法，解决了基于现有的同步曝光控制装置大多时钟精度不足，且难以并行处理相机曝光反馈问题。本发明装置包括处理器芯片、多路相机、FPGA芯片、GPS单元、IMU单元、电源、存储器；处理器芯片双向连接多路相机，处理器芯片双向连接飞控设备；多路相机单向连接FPGA芯片，FPGA芯片双向连接IMU单元、处理器芯片；GPS单元单向连接处理器芯片，且GPS单元单向连接FPGA芯片。本发明结构适合应用于无人飞行器的多相机同步拍摄，提高无人飞行器多相机同步拍摄的时间精度，准确识别漏片位置，方便补拍漏片；FGPA芯片分担了并行处理的工作，减少误差。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器多相机同步拍摄技术领域，尤其涉及基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置及方法。
背景技术
航测相机是无人飞行器进行工业测绘的核心部件之一。近年来，在农业、林业、城市建设等领域中对测绘图像的精度、分辨率及覆盖率的要求越来越高。目前使用无人飞行器进行的遥感方式，获取的图像覆盖范围受飞行高度限制，经常不能满足对全域摄像效率的要求，因此通常使用多拼相机同时对同一位置进行拍摄，以扩大拍摄范围，极大的增加了对广域进行测绘的效率与质量。
对于多拼相机的拍摄，有两个重要的评价标准：拍摄的同步性及时间的精确度。连续大数量的拍摄过程中，如果每个相机触发曝光时间差距过大，那么这一组照片的投影中心将不能重合，这将极大的增加后期图像处理的难度。另一方面，航测拍摄一般是采用GPS时间，对每张照片的时间记录越准确，也意味着GPS信息记录的更为精确，对后续数据处理有巨大的帮助。
目前市面上的同步曝光控制装置大多是仅基于单片机设计的。此类同步曝光控制装置使用单片机同时控制所有相机的快门，采用外部中断的方式监测相机是否有返回曝光信号，若触发中断，则认为拍照成功，并采集此时的GPS信息，根据GPS时间对拍摄进行校准。若相机没有在规定时间内触发中断则认为漏片或拍摄超时。
这类仅由单片机控制的多相机同步曝光模块是能够基本实现其目标功能的。但是单片机的运行模式决定了这种设计在对多路相机的控制上有明显的不足，主要体现在以下几个方面：
i.单片机时钟精度不足；
单片机的***时间由内部时钟或外部时钟芯片提供，因此只能获取相对时间信息，受环境影响，存在一定的时间误差，并且随拍摄作业时间的延长而增加误差。如果需要增加精度，则需要在每张照片拍摄前进行校准，增加了工作量，且精度依旧不如绝对时间。
ii.单片机外部中断无法并行处理，将增加GPS时间获取的误差；
因为使用的多路相机都是相同优先级的，当多个相机的曝光时间接近时，同优先级的中断只能处理完首个中断回调任务后再依次处理后续相机的曝光反馈。无法并行处理意味着采集到的GPS时间与实际曝光反馈的时间不相符。
发明内容
本发明从解决单片机时钟精度不足，且难以并行处理相机曝光反馈的角度出发，本发明提供了基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置及方法，使用FPGA芯片与单片机共同同步多相机曝光时间的设计，以解决目前无人飞行器多相机同步拍摄技术中存在的以下问题：本发明以FPGA芯片代替单片机处理GPS的秒脉冲以获得精确到微秒的相对时间，单片机仅处理并生成精确到秒的绝对时间，降低单片机时钟误差对多相机同步拍摄造成的影响；以FGPA控制芯片同时处理多个相机的曝光反馈信号，以其并行处理的特点避免相机曝光时间相近时增加误差。
本发明通过下述技术方案实现：
基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，包括处理器芯片、多路相机、FPGA芯片、GPS单元、IMU单元(即惯性测量单元)和电源，FPGA芯片内设置有存储器；处理器芯片双向连接多路相机，处理器芯片双向连接飞控设备；多路相机单向连接FPGA芯片，FPGA芯片双向连接IMU单元、处理器芯片；GPS单元单向连接处理器芯片，且GPS单元单向连接FPGA芯片；电源连接多路相机，用于为多路相机中的各个相机供电；
处理器芯片，用于接收飞控设备的拍照指令，驱动与之连接的多路相机拍摄；并将各单元工作状态及漏片信息反馈给飞控设备；
多路相机，用于接收处理器芯片的驱动拍摄信号进行拍摄，并把各路相机拍摄完成后的曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片；
存储器，用于将处理器芯片接收到曝光信号EVENT后精确到秒的时间通过FMC网络(固定网与移动网融合)存入FPGA芯片内的存储器内；
FPGA芯片，用于接收多路相机反馈的曝光信号EVENT，通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器，供后续FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器中的精确时间及IMU单元的测量信息；
GPS单元，用于记录并向处理器芯片发送位置信息、卫星信息及精确到秒的时间信息。
工作原理是：基于现有的同步曝光控制装置大多是仅基于单片机设计的，时钟精度不足，如果需要增加精度，则需要在每张照片拍摄前进行校准，增加了工作量，且精度依旧不如绝对时间；且难以并行处理相机曝光反馈。本发明采用上述方案通过处理器芯片接收飞控设备的拍照指令，并驱动与之连接的多路相机拍摄；各路相机拍摄完成后将曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片，处理器芯片接收到曝光信号EVENT，将精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片内的存储器；FPGA芯片通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，这样提高了同步拍摄的时间精度，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器，供后续FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器中的精确时间及IMU单元的测量信息。本发明结构适合应用于无人飞行器的多相机同步拍摄，提高无人飞行器多相机同步拍摄的时间精度，以减小后期数据处理的难度；同时，由于FGPA分担了并行处理的工作，在减少误差的同时也降低了设计难度。
本发明支持多路相机的同步拍摄控制，数量视实际需求而定，且并行处理多路相机的曝光反馈信号，实时记录对应相机拍摄时的GPS单元及IMU单元的数据，数量视实际需求而定。
优选地，还包括二次漏片检查单元，用于将处理器芯片接收到的多路相机曝光信号EVENT反馈数与多路相机内的实际相片数量的对比结果反馈给飞控设备，通过USBOTG接口读取多路相机存储状况以二次监测是否漏片，这样能够实现准确识别漏片位置，以减小后期数据处理的难度，方便补拍漏片。
优选地，还包括SD卡，SD卡通过SDIO协议双向连接处理器芯片，用于将多路相机每次拍摄时记录的GPS单元及IMU单元的测量信息依序存入SD卡，以便后续使用。
优选地，处理器芯片通过USB连接多路相机，多路相机通过拍摄完成后的曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片。
优选地，所述多路相机采用五路相机，处理器芯片与五路相机通过OC门控制快门。
优选地，所述处理器芯片通过CAN总线双向连接飞控设备，GPS单元通过UART总线单向连接处理器芯片，UART是一种通用串行数据总线，实现异步通信。
优选地，还包括手动开关，处理器芯片通过OC门与多路相机及手动开关连接，手动控制指定路相机进行拍照，方便快捷。
优选地，处理器芯片采用包括但不限于STM32F405系列的ARM架构单片机。
优选地，FPGA芯片采用包括但不限于XC3S200AN-4FTG256C系列的FPGA。
优选地，GPS单元采用包括但不限于OEM617板卡，IMU单元采用包括但不限于ADIS16488惯导。
优选地，所述存储器采用SRAM存储器。
基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步方法，该方法包括：
步骤1：处理器芯片接收飞控设备的拍照指令，同时，处理器芯片通过CAN总线将各模块工作状态及漏片信息反馈给飞控设备；
步骤2：处理器芯片通过OC门与相机及手动开关连接，驱动与之连接的多路相机进行拍摄；
步骤3：多路相机拍摄完成后将曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片，接到曝光信号EVENT时FPGA芯片解析IMU单元的测量信息与GPS单元的秒脉冲PPS，处理器芯片接到曝光信号EVENT时，解析GPS单元通过UART串口发送的信息；
步骤4：GPS单元通过UART发送位置信息、卫星信息及精确到秒的时间信息，曝光信号EVENT触发时处理器芯片将精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片管理的存储器SRAM，将其他GPS信息存入SD卡；而FPGA芯片通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器SRAM；
步骤5：完成存储后，FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器SRAM中的精确时间及IMU单元的测量信息，处理器芯片将这些信息一并存入SD卡；
步骤6：处理器芯片通过USB连接相机内部存储，对比收到的曝光信号EVENT反馈数与相机实际相片数量进行二次漏片检查。
本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步方法，支持多路相机的同步拍摄控制，数量视实际需求而定，且并行处理多路相机的曝光反馈信号，实时记录对应相机拍摄时的GPS单元及IMU单元的数据，数量视实际需求而定；本发明通过处理器芯片对外部反馈信号进行中断处理及负责与各模块元器件进行通讯；本发明通过USBOTG接口读取相机存储状况以二次监测是否漏片，将每次拍摄时记录的GPS单元的信息及IMU单元的测量信息依序存入SD卡，以便后续分析。本发明适合应用于无人飞行器的多相机同步拍摄，提高无人飞行器多相机同步拍摄的时间精度，准确识别漏片位置，以减小后期数据处理的难度，方便补拍漏片。同时，由于FGPA分担了并行处理的工作，在减少误差的同时也降低了设计难度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，本发明支持多路相机的同步拍摄控制，数量视实际需求而定，且并行处理多路相机的曝光反馈信号，实时记录对应相机拍摄时的GPS单元及IMU单元的数据，数量视实际需求而定；
2、本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，本发明结构适合应用于无人飞行器的多相机同步拍摄，提高无人飞行器多相机同步拍摄的时间精度，准确识别漏片位置，以减小后期数据处理的难度，方便补拍漏片。同时，由于FGPA分担了并行处理的工作，在减少误差的同时也降低了设计难度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置结构示意图。
图2为本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置的处理器芯片与五路相机之间由手动开关控制的连接关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示，本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，包括处理器芯片、多路相机、FPGA芯片、GPS单元、IMU单元和电源，FPGA芯片内设置有存储器；处理器芯片双向连接多路相机，处理器芯片双向连接飞控设备；多路相机单向连接FPGA芯片，FPGA芯片双向连接IMU单元、处理器芯片；GPS单元单向连接处理器芯片，且GPS单元单向连接FPGA芯片；电源连接多路相机，用于为多路相机中的各个相机供电；
处理器芯片，用于接收飞控设备的拍照指令，驱动与之连接的多路相机拍摄；并将各单元工作状态及漏片信息反馈给飞控设备；
多路相机，用于接收处理器芯片的驱动拍摄信号进行拍摄，并把各路相机拍摄完成后的曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片；
存储器，用于将处理器芯片接收到曝光信号EVENT后精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片内的存储器内；
FPGA芯片，用于接收多路相机反馈的曝光信号EVENT，通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器，供后续FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器中的精确时间及IMU单元的测量信息；GPIO是通用型之输入输出简称；
GPS单元，用于记录并向处理器芯片发送位置信息、卫星信息及精确到秒的时间信息。
本实施例中，还包括二次漏片检查单元，用于将处理器芯片接收到的多路相机曝光信号EVENT反馈数与多路相机内的实际相片数量的对比结果反馈给飞控设备；通过USBOTG接口读取多路相机存储状况以二次监测是否漏片，这样能够实现准确识别漏片位置，以减小后期数据处理的难度，方便补拍漏片。
本实施例中，还包括SD卡，SD卡通过SDIO协议双向连接处理器芯片，用于将多路相机每次拍摄时记录的GPS单元及IMU单元的测量信息依序存入SD卡，以便后续使用。
本实施例中，处理器芯片通过USB连接多路相机，多路相机通过拍摄完成后的曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片。
本实施例中，所述多路相机采用五路相机，处理器芯片与五路相机通过OC门控制快门。
其中，5路相机的同步拍摄，处理器芯片与相机通过OC门控制快门，通过USB连接读取相机存储。USB采用分出5路的USB HUB连接相机，可以使用包括但不限于USB3300高速USB模块构建USB HS OTG高速模式。
本实施例中，所述处理器芯片通过CAN总线双向连接飞控设备，GPS单元通过UART总线单向连接处理器芯片。
其中，CAN总线使用包括但不限于Microchip Technology公司MCP2562设计，为CAN总线提供符合ISO11898标准的硬件链路，通过导线与飞控设备CAN总线相连接。
本实施例中，还包括手动开关，处理器芯片通过OC门与多路相机及手动开关连接，手动控制指定路相机进行拍照，方便快捷。
本实施例中，处理器芯片采用包括但不限于STM32F405系列的ARM架构单片机，提供CAN总线通讯、SD卡存取、UART串口接收、FMC通讯、USB OTG等功能，对外部反馈信号进行中断处理及负责与各部分元器件通过以上功能进行通讯。
本实施例中，FPGA芯片采用包括但不限于XC3S200AN-4FTG256C系列的FPGA，负责解析IMU单元的数据，通过GPS单元的GPS秒脉冲计算微秒级时间。
本实施例中，GPS单元采用包括但不限于OEM617板卡，IMU单元采用包括但不限于ADIS16488惯导。
实施时：基于现有的同步曝光控制装置大多是仅基于单片机设计的，时钟精度不足，如果需要增加精度，则需要在每张照片拍摄前进行校准，增加了工作量，且精度依旧不如绝对时间；且难以并行处理相机曝光反馈。发明通过处理器芯片接收飞控设备的拍照指令，并驱动与之连接的多路相机拍摄；各路相机拍摄完成后将曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片，处理器芯片接收到曝光信号EVENT，将精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片内的存储器；FPGA芯片通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，这样提高了同步拍摄的时间精度，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器，供后续FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器中的精确时间及IMU单元的测量信息。发明结构适合应用于无人飞行器的多相机同步拍摄，提高无人飞行器多相机同步拍摄的时间精度，准确识别漏片位置，以减小后期数据处理的难度，方便补拍漏片。同时，由于FGPA分担了并行处理的工作，在减少误差的同时也降低了设计难度。
实施例2
如图1、图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步方法，该方法包括：
步骤1：处理器芯片接收飞控设备的拍照指令，同时，处理器芯片通过CAN总线将各模块工作状态及漏片信息反馈给飞控设备；
步骤2：处理器芯片通过OC门与相机及手动开关连接，驱动与之连接的多路相机进行拍摄；
步骤3：多路相机拍摄完成后将曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片，接到曝光信号EVENT时FPGA芯片解析IMU单元的测量信息与GPS单元的秒脉冲PPS，处理器芯片接到曝光信号EVENT时，解析GPS单元通过UART串口发送的信息；
步骤4：GPS单元通过UART发送位置信息、卫星信息及精确到秒的时间信息，曝光信号EVENT触发时处理器芯片将精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片管理的存储器SRAM，将其他GPS信息存入SD卡；而FPGA芯片通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器SRAM；
步骤5：完成存储后，FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器SRAM中的精确时间及IMU单元的测量信息，处理器芯片将这些信息一并存入SD卡；
步骤6：处理器芯片通过USB连接相机内部存储，对比收到的曝光信号EVENT反馈数与各个相机实际相片数量进行二次漏片检查。
本发明基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步方法，支持多路相机的同步拍摄控制，数量视实际需求而定，且并行处理多路相机的曝光反馈信号，实时记录对应相机拍摄时的GPS单元及IMU单元的数据，数量视实际需求而定；本发明通过处理器芯片对外部反馈信号进行中断处理及负责与各模块元器件进行通讯；本发明通过USBOTG接口读取相机存储状况以二次监测是否漏片，将每次拍摄时记录的GPS单元的信息及IMU单元的测量信息依序存入SD卡，以便后续分析。本发明适合应用于无人飞行器的多相机同步拍摄，提高无人飞行器多相机同步拍摄的时间精度，准确识别漏片位置，以减小后期数据处理的难度，方便补拍漏片。同时，由于FGPA分担了并行处理的工作，在减少误差的同时也降低了设计难度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，包括处理器芯片、多路相机、FPGA芯片、GPS单元、IMU单元和电源，FPGA芯片内设置有存储器；处理器芯片双向连接多路相机，处理器芯片双向连接飞控设备；多路相机单向连接FPGA芯片，FPGA芯片双向连接IMU单元、处理器芯片；GPS单元单向连接处理器芯片，且GPS单元单向连接FPGA芯片；电源连接多路相机，用于为多路相机中的各个相机供电；
处理器芯片，用于接收飞控设备的拍照指令，驱动与之连接的多路相机拍摄；并将各单元工作状态及漏片信息反馈给飞控设备；
多路相机，用于接收处理器芯片的驱动拍摄信号进行拍摄，并把各路相机拍摄完成后的曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片；
存储器，用于将处理器芯片接收到曝光信号EVENT后精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片内的存储器内；
FPGA芯片，用于接收多路相机反馈的曝光信号EVENT，通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器，供后续FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器中的精确时间及IMU单元的测量信息；
GPS单元，用于记录并向处理器芯片发送位置信息、卫星信息及精确到秒的时间信息。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，还包括二次漏片检查单元，用于将处理器芯片接收到的多路相机曝光信号EVENT反馈数与多路相机内的实际相片数量的对比结果反馈给飞控设备。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，还包括SD卡，SD卡通过SDIO协议双向连接处理器芯片，用于将多路相机每次拍摄时记录的GPS单元及IMU单元的测量信息依序存入SD卡，以便后续使用。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，处理器芯片通过USB连接多路相机，多路相机通过拍摄完成后的曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，所述多路相机采用五路相机，处理器芯片与五路相机通过OC门控制快门。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，所述处理器芯片通过CAN总线双向连接飞控设备，GPS单元通过UART总线单向连接处理器芯片。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，还包括手动开关，处理器芯片通过OC门与多路相机及手动开关连接，手动控制指定路相机进行拍照。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，处理器芯片采用包括但不限于STM32F405系列的ARM架构单片机，FPGA芯片采用包括但不限于XC3S200AN-4FTG256C系列的FPGA。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步装置，其特征在于，GPS单元采用包括但不限于OEM617板卡，IMU单元采用包括但不限于ADIS16488惯导。
10.基于FPGA的高精度多路航测相机曝光时间同步方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：处理器芯片接收飞控设备的拍照指令，同时，处理器芯片通过CAN总线将各模块工作状态及漏片信息反馈给飞控设备；
步骤2：处理器芯片通过OC门与相机及手动开关连接，驱动与之连接的多路相机进行拍摄；
步骤3：多路相机拍摄完成后将曝光信号EVENT同时反馈给FPGA芯片及处理器芯片，接到曝光信号EVENT时FPGA芯片解析IMU单元的测量信息与GPS单元的秒脉冲PPS，处理器芯片接到曝光信号EVENT时，解析GPS单元通过UART串口发送的信息；
步骤4：GPS单元通过UART发送位置信息、卫星信息及精确到秒的时间信息，曝光信号EVENT触发时处理器芯片将精确到秒的时间通过FMC网络存入FPGA芯片管理的存储器SRAM，将其他GPS信息存入SD卡；而FPGA芯片通过GPS单元的秒脉冲计算的精确到微秒的时间与处理器芯片精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时与IMU单元的测量信息一并存入存储器SRAM；
步骤5：完成存储后，FPGA芯片通过GPIO提醒处理器芯片读取存储器SRAM中的精确时间及IMU单元的测量信息，处理器芯片将这些信息一并存入SD卡；
步骤6：处理器芯片通过USB连接相机内部存储，对比收到的曝光信号EVENT反馈数与相机实际相片数量进行二次漏片检查。
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