TWI634790B - 一種晶片、數位視訊信號傳輸系統 - Google Patents

一種晶片、數位視訊信號傳輸系統 Download PDF

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Abstract

本申請提供了一種晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統。該數位視訊信號傳輸系統包括發送端和接收端，在發送端對數位視訊信號例如HDMI或DP信號進行色彩空間轉換，其對視頻圖像品質的影響可以忽略不計。然後，對色彩空間轉換後的數位視訊信號進行(淺度)無損的視頻碼流壓縮，其最高壓縮比可以達到8：1，透過該(淺度)無損的視頻碼流壓縮技術降低了資料速率，從而減少了視頻碼流傳輸中的信號衰減，使傳輸距離提升10倍以上。在接收端對視頻碼流進行無損解壓，使圖像的解析度回復到原始的狀態，維持原有的圖像品質。因此，本申請提供的晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統能夠在不影響視頻圖像品質的前提下，延長數位視訊信號的傳輸距離。

Description

一種晶片、數位視訊信號傳輸系統
本申請涉及視訊訊號傳輸技術領域，尤其涉及一種晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統。
隨著數位視訊技術和產品的不斷普及，對數位視訊信號長距離傳輸的需求越來越高。
數位視訊信號在傳輸過程中會發生信號衰減，導致其傳輸距離不能太長。尤其是高速數位視訊信號例如HDMI(High-Definition Media Interface，高清多媒體介面)、DP(Displayport，高清顯示介面)信號在傳輸纜線中呈指數快速衰減，高清的HDMI、DP尤其是超高清的4K、8K的信號，用價格昂貴的線材，也只能傳輸幾米的距離。這樣就很大程度上限制了HDMI、DP等無壓縮、無損高清顯示的應用。
有鑑於此，本申請提供了一種晶片及數位視訊信號傳輸系統，以延長數位視訊信號的傳輸距離。
為了達到上述發明目的，本申請採用了如下技術方案：一種晶片，包括：第一接收模組、協定邏輯模組、色彩空間轉換模組、壓縮模組和發送模組；其中，所述第一接收模組用於接收數位視訊信號；所述協定邏輯模組用於對所述數位視訊信號進行協定解包，得到視頻碼流；所述色彩空間轉換模組用於對所述視頻碼流進行色彩空間轉換；所述壓縮模組用於對色彩空間轉換過的視頻碼流進行無失真壓縮； 所述發送模組用於發送無失真壓縮後的視頻碼流。
可選地，所述晶片還包括：增強模組，用於對所述發送模組發送的無失真壓縮後的視頻碼流進行預加重處理。
可選地，所述發送模組為並轉串模組。
可選地，所述並轉串模組為高速差分序列介面。
上述為晶片的第一種技術方案，與上述技術方案提供的晶片相對應，本申請還提供了晶片的第二種技術方案，具體如下：一種晶片，包括：第二接收模組，解壓縮模組、色彩空間轉換模組、發射器邏輯模組以及輸出模組；其中，所述第二接收模組用於接收無失真壓縮後的視頻碼流；所述解壓縮模組用於對所述無失真壓縮後的視頻碼流進行解壓縮；所述色彩空間轉換模組用於對解壓縮後的視頻碼流進行色彩空間轉換；所述發射器邏輯模組用於對色彩空間轉換後的視頻碼流進行編輯，得到符合數位視訊信號協定的數位視訊信號；所述輸出模組用於輸出數位視訊信號。
可選地，所述晶片還包括：信號放大模組，用於在所述第二接收模組接收視頻碼流之前對預加重的視頻碼流進行放大處理。
可選地，所述第二接收模組為序列介面；所述晶片還包括：串並轉換模組，用於將所述序列介面接收到的串列信號轉換為並行信號，並將所述並行信號傳送至所述解壓縮模組。
可選地，所述序列介面為通用高速差分序列介面。
基於上述技術方案提供的晶片，本申請還提供了數位視訊信號傳輸系統的技術方案，具體如下：一種數位視訊信號傳輸系統，包括：發送端和接收端，所述發送端為第一種技術方案所述的晶片，所述接收端為上述第二種技術方案所述的晶片；所述發送端和所述接收端之間透過資料傳輸媒介連接。
可選地，所述資料傳輸媒介為數位視訊信號的傳輸纜線、用於網路連接的網線和具有高頻寬資料直通和切換功能的晶片中的任一種。
相較于習知技術，本申請具有以下有益效果：
利用本申請提供的晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統，在數位視訊信號的發送端對數位視訊信號例如HDMI或DP信號進行色彩空間轉換，其對視頻圖像品質的影響可以忽略不計。然後，對色彩空間轉換後的數位視訊信號進行(淺度)無損的視頻碼流壓縮，其最高壓縮比可以達到8：1，透過該(淺度)無損的視頻碼流壓縮技術降低了資料速率，從而減少了視頻碼流傳輸中的信號衰減，使傳輸距離提升10倍以上。在接收端對視頻碼流進行無損解壓，使圖像的解析度回復到原始的狀態，維持原有的圖像品質。因此，本申請提供的晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統能夠在不影響視頻圖像品質的前提下，延長數位視訊信號的傳輸距離。
本申請提供的數位視訊信號傳輸系統可以方便應用在需要長距離傳輸的應用場景如網咖、會場、家庭、地鐵、高鐵、多媒體教室等，實現巨大的經濟和社會價值。
11‧‧‧發送端
12‧‧‧接收端
13‧‧‧資料傳輸媒介
111‧‧‧第一接收模組
112‧‧‧協定邏輯模組
113‧‧‧色彩空間轉換模組
114‧‧‧壓縮模組
115‧‧‧發送模組
116‧‧‧增強模組
117‧‧‧雙向次要通道
121‧‧‧第二接收模組
122‧‧‧解壓縮模組
123‧‧‧色彩空間轉換模組
124‧‧‧發射器邏輯模組
125‧‧‧輸出模組
126‧‧‧串並轉換模組
127‧‧‧信號放大模組
為了清楚地理解本申請的具體實施方式，下面將描述本申請具體實施方式時用到的附圖作一簡要說明。
圖1是本申請實施例提供的數位視訊信號傳輸系統的框架示意圖；圖2是本申請實施例提供的發送端結構示意圖；圖3是本申請實施例提供的接收端結構示意圖。
在描述本申請具體實施方式之前，首先介紹描述本申請具體實施方式時用到的技術術語及其對應的英文詳細名稱及英文縮寫。
HDMI(High-Definition Media Interface)：高清多媒體介面；DP(Displayport)：高清顯示介面；CSC(Color Space Conversion)：色彩空間轉換；色彩空間轉換是指把一個色彩空間中的顏色資料轉換或表示成另一個色彩空間中的相應資料，即用不同的色彩空間中的資料表示同一顏色； DSC(Digitial Stream Compression)：(淺度)數位視訊碼流壓縮；SERDES(Serializer and Deserializer)：通用高速差分序列介面；ASIC(Application Specific Integrated Circuit)：專用積體電路晶片；FPGA(Field Programmable Gate Array)：可邏輯程式設計晶片。
視訊訊號源和顯示裝置之間，有很多標準的數位視訊信號傳輸格式，其中包括：DVI(Digital Visual Interface，數位圖像介面)，HDMI，DisplayPort以及SDI(Serial Digital Interface，串列數位介面)。
在本申請實施例中，數位視訊信號可以為上述任一傳輸格式的數位視訊信號。
本申請實施例所述的數位視訊信號傳輸系統用於將數位視訊信號由視訊訊號源傳輸至顯示裝置，在顯示裝置上播放該數位視訊信號對應的視頻資料。
本申請實施例所述的數位視訊信號傳輸系統的技術核心是透過對協定解包過的視頻碼流進行色彩空間轉換和(淺度)數位視訊碼流的無失真壓縮，實現在對視頻圖像品質沒有影響的情況下降低碼率，從而降低資料傳輸時對頻寬的要求，實現延長傳輸距離的目的。
下面結合附圖對本申請提供的晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統的具體實施方式進行詳細描述。
圖1是本申請實施例提供的數位視訊信號傳輸系統的框架示意圖。如圖1所示，該數位視訊信號傳輸系統包括：發送端11、接收端12以及用於連接發送端11和接收端12的資料傳輸媒介13。資料傳輸媒介13用於將視頻資料從發送端11傳輸至接收端12。
其中，發送端11的具體結構如圖2所示，其包括：第一接收模組111、協定邏輯模組112、色彩空間轉換模組113、壓縮模組114和發送模組115。
其中，第一接收模組111用於接收數位視訊信號。更具體地說，第一接收模組111用於從視訊訊號源中接收數位視訊信號，作為示例，視訊訊號源可以為攝影機。
協定邏輯模組112用於對數位視訊信號進行協定解包，得到視頻碼流。數位視訊信號是具有一定視頻協定標準格式的信號，例如HDMI信號為具有 HDMI協定的信號，為了得到原始的視頻碼流，需要利用協定邏輯模組112對第一接收模組111接收到的數位視訊信號進行協定解包，以得到原始視頻資料即視頻碼流。
色彩空間轉換模組113用於對視頻碼流進行色彩空間轉換。
壓縮模組114用於對色彩空間轉換過的視頻碼流進行無失真壓縮。
在色彩空間轉換模組113對視頻碼流進行色彩空間轉換時，其對視頻圖像品質的影響可以忽略不計，因此，色彩空間轉換技術不會對視頻圖像品質帶來不良影響。在實際應用中，工程師可以根據接收端12顯示裝置的解析度要求、資料傳輸媒介13的類型和長度以及發送端11信號源支援的視頻格式，選擇色彩空間轉換的轉換類型。例如，4：4：4→4：2：2，或者4：4：4-→4：2：0。透過色彩空間轉換能夠降低資料頻寬。
在色彩空間轉換的基礎上，再對視頻碼流進行(淺度)數位視訊碼流壓縮，從而進一步降低視頻碼流的頻寬，同時保證較高的圖像品質。在對視頻碼流進行(淺度)數位視訊碼流壓縮的過程中，可以選擇(淺度)數位視訊碼流壓縮的壓縮比(例如，1,2,3,4)。
本申請採用色彩空間轉換以及(淺度)數位視訊碼流壓縮技術，可以將高頻寬的視頻碼流壓縮2-8倍，最高壓縮比可以達到8：1，因此，在發送端11能夠降低視頻資料速率，從而減少了視頻碼流傳輸中的信號衰減，使傳輸距離提升10倍以上。
發送模組115用於向接收端12發送無失真壓縮後的視頻碼流。
為了減少資料傳輸媒介13的傳輸線數量，發送模組115可以為並轉串模組，如此，在視頻碼流傳輸之前，先將視頻碼流的並行信號轉換為串列信號，如此資料傳輸媒介13透過一條傳輸線即可完成視頻碼流的傳輸。
另外，在發送端11內，透過色彩空間轉換模組113對視頻碼流的色彩空間轉換以及壓縮模組114的對視頻碼流的無失真壓縮後，實現了在數位域降低碼率，從而降低了碼流需求，因此，發送模組115的傳送實體層可以採用通用的高速差分序列介面。該高速差分序列介面一般是8b/10b(bit)的編碼，保持直流電平穩定，驅動為差分電流驅動，有兩端的終止(termination)，所以抗干擾、抗反射能力比較好，交流耦合也可以避免對I/O相容性的問題。這種實體層可以實現非常高的資料率。因此，利用該通用的高速差分序列 介面，信號傳輸的穩定性和低誤碼率有很好的保障。
作為示例，該高速差分序列介面可以為4個差分驅動的高速差分序列介面，其可以用於傳輸4路數據信號或者用於傳輸3路數據信號和1路時鐘信號。
此外，作為本申請的一具體實施例，為了進一步延長數位視訊信號的傳輸距離，發送端11上還可以設置有增強模組116，該增強模組116用於對發送模組115發送的無失真壓縮後的視頻碼流進行預加重處理。如此，基於該具體實施例，利用結構相對簡單的傳輸系統，在不增加視頻傳輸延遲的情況下，即能實現數位視訊信號更長距離的傳輸。
作為本申請的另一具體實施例，發送端11還可以設置有雙向輔助控制通道117，所述雙向次要通道117用於傳輸下游顯示裝置支援的音視頻參數資訊以及用於傳輸控制下游顯示裝置的控制信號。其中，下游顯示裝置支援的音視頻參數資訊可以為音視頻格式、速率等等。
在本申請實施例中，發送端11可以為晶片結構，作為示例，該晶片可以為ASIC晶片，也可以為FPGA晶片。
另外，在本申請實施例的發送端11中的各個功能模組可以透過電路結構實現，也可以透過軟體程式模組來實現。
以上為發送端11的結構與功能的介紹。下面介紹接收端12的結構與功能。
與發送端11相對應，接收端12的具體結構如圖3所示，其包括：第二接收模組121，解壓縮模組122、色彩空間轉換模組123、發射器邏輯模組124以及輸出模組125；其中，第二接收模組121用於從發送端11的發送模組115中接收無失真壓縮後的視頻碼流；解壓縮模組122用於對無失真壓縮後的視頻碼流進行解壓縮；色彩空間轉換模組123用於對解壓縮後的視頻碼流進行色彩空間轉換；發射器邏輯模組124用於對色彩空間轉換後的視頻碼流進行編輯，得到符合數位視訊信號協定的數位視訊信號；輸出模組125用於向下游顯示裝置輸出數位視訊信號，以將該資料視訊訊號傳輸到下游顯示裝置上進行播放。
需要說明，在本申請提供的數位視訊信號傳輸系統中，接收端12的結構與功能和發送端11的結構與功能相對應。例如，一旦選擇好發送端11內的CSC轉換機制和DSC的壓縮比後，在接收端12內就必須設置跟發送端11相同的配置，從而使視頻碼流得到正確的恢復與播放。
舉例說明，當在發送端11內，壓縮模組114的壓縮比為4：1時，則在接收端12內，與之對應的解壓縮模組122的解壓縮比為1：4。
當在發送端11內，發送模組115為並轉串模組時，接收端12內的第二接收模組121為序列介面。在這種具體實施方式下，為了提高資料傳輸效率，在接收端12內還可以設置有串並轉換模組126，該串並轉換模組126用於將序列介面接收到的串列信號轉換為並行信號，並將並行信號傳送至解壓縮模組122。作為示例，該序列介面可以為通用高速差分序列介面。該高速差分序列介面可以用於傳輸4路數據信號或者用於傳輸3路數據信號和1路時鐘信號。
當在發送端11內設置有增強模組116時，為了實現信號的均衡，在接收端12內還需要設置有信號放大模組127，該信號放大模組127用於在第二接收模組121接收視頻碼流之前對預加重的視頻碼流進行放大處理。
為了能夠將數位視訊信號傳輸到數位視訊信號傳輸系統下游的顯示裝置上，需要利用接收端11內的發射器邏輯模組124將色彩空間轉換後的視頻碼流進行協定編輯，得到符合數位視訊信號協定的數位視訊信號；例如得到符合HDMI協定的HDMI信號。
作為本申請的一具體示例，接收端12還可以設置有雙向輔助控制通道128，該雙向次要通道128用於傳輸下游顯示裝置支援的音視頻參數資訊以及用於傳輸控制下游顯示裝置的控制信號。其中，下游顯示裝置支援的音視頻參數資訊可以為音視頻格式、速率等等。
需要說明，在本申請實施例中，設置在發送端11內的雙向次要通道117與設置在接收端12內的雙向次要通道128進行通信連接。
以上為本申請實施例的接收端12的具體結構以及功能的介紹。在本申請實施例的接收端12中的各個功能模組可以透過電路結構實現，也可以透過軟體程式模組來實現。
在本申請實施例中，資料傳輸媒介13可以為與數位視訊信號的標準協定對應的信號傳輸纜線，還可以為用於網路連接的網線，也可以為具有高頻寬資料直通和切換功能的晶片中。
此外，發送端11和接收端12焊接在印刷線路板上，因此，資料傳輸媒介13還可以為設置在所述印刷線路板上的差分對走線。
資料傳輸媒介13為與數位視訊信號的標準協定對應的信號傳輸纜線。具體可以為：當數位視訊信號的標準協定為HDMI時，傳輸纜線為HDMI標準傳輸纜線，當數位視訊信號的標準協定為DP時，傳輸纜線為DP標準傳輸纜線。
當資料傳輸媒介13為用於網路連接的網線時，其可以採用CAT6或CAT6e纜線。
以上為本申請實施例提供的數位視訊信號傳輸系統的具體實施方式。在數位視訊信號傳輸系統中，在數位視訊信號的發送端對數位視訊信號採用色彩空間轉換技術，其對視頻圖像品質的影響可以忽略不計。然後，對色彩空間轉換後的數位視訊信號進行(淺度)無損的視頻碼流壓縮，其最高壓縮比可以達到8：1，透過該(淺度)無損的視頻碼流壓縮技術降低了資料速率，從而減少了視頻碼流傳輸中的信號衰減，使傳輸距離提升10倍以上。在接收端對視頻碼流進行無損解壓，使圖像的解析度回復到原始的狀態，維持原有的圖像品質。因此，本申請提供的晶片以及包含該晶片的數位視訊信號傳輸系統能夠在不影響視頻圖像品質的前提下，延長數位視訊信號的傳輸距離。
而且，本申請提供的數位視訊信號傳輸系統的發送端11中，壓縮模組114能夠對視頻碼流進行無失真壓縮，壓縮後的視頻碼流的頻寬降低，如此，有利於延長信號的傳輸距離。而且透過該視頻碼流無失真壓縮的技術降低頻寬方式，功耗較低。
此外，當利用該數位視訊信號傳輸系統傳輸高速數位視訊信號例如高清HDMI信號或者高清DP信號時，透過色彩空間轉換技術能夠實現在對視頻圖像品質影響可以忽略的前提下適當降低視頻資料的頻寬，在此基礎上採用無損的(淺度)數位視訊碼流壓縮技術，使資料頻寬比例可以最高達8倍，從而使實際傳輸的高速數位視訊信號的資料頻寬接近標清視頻碼流的 頻寬，因此，該傳輸系統可以在低成本以及不增加視頻傳輸延遲的情況下，實現高速數位視訊信號的長距離傳輸。
本申請提供的數位視訊信號傳輸系統可以方便應用在需要長距離傳輸的應用場景如網咖、會場、家庭、地鐵、高鐵、多媒體教室等，實現巨大的經濟和社會價值。
為了更加突出本申請提供的數位視訊信號傳輸系統的效果，下面將與習知技術中延長傳輸距離的多個方案分別進行比較說明。
習知技術一：透過直接對數位視訊信號例如高速的HDMI、DP信號在發送端增強高頻信號(預加重)和在接收端對高頻信號進一步放大(信號均衡)的方式，來實現較長的信號傳輸距離，這樣傳輸方式因為信號頻寬不變，受信號衰減和信號通道及外部雜訊的影響，所以延長的距離比較有限。
而本申請提供的傳輸系統透過無損視頻碼流壓縮技術降低了信號頻寬，如此，相較于習知技術一，本申請提供的傳輸系統能夠將數位視訊信號傳輸到更遠的距離。
習知技術二：將數位視訊信號例如HDMI、DP協定信號解包，轉換成通用的SERDES信號，並驅動光模組，採用光纖作為傳輸媒介，因為光纖傳輸的損耗較低，從而實現長距離傳輸(數百米，多模光纖；數十公里，單模光纖)。但是這種信號轉換加光驅動再用光纖的方式成本很高，而且安裝的靈活性也很差，而且無法讓控制信號雙向傳輸。
相較于該習知技術二，本申請提供的傳輸系統無需安裝光模組，其安裝靈活性較高，而且能夠實現控制信號的雙向傳輸。
習知技術三：將數位視訊信號例如HDMI、DP協定信號解包以後進行壓縮(JPEG、H.264等)，再轉換成網路通訊協定，透過網線傳輸，在接收端接收後進行視頻解壓，再轉換成HDMI、DP的協定信號。此技術方案的優勢是壓縮比高，傳輸頻寬需求比較低，同時採用通用的TCP/IP協定傳輸，可以透過網路交換機，支援多個接收端的顯示和雙向控制信號的傳輸。但是缺點是對視頻的品質有很大的影響，尤其是在動感畫面時，有時會出現卡頓現象，另外，壓縮和解壓的過程需要比較長的時間，因此，會有很大的時間延遲，無法用在對延長要求嚴格的應用場景，例如倒車影像和遊戲 中。
而由於本申請的傳輸系統，採用的色彩空間轉換技術對視頻圖像品質幾乎沒有影響。另外，壓縮技術採用的是(淺度)無損的視頻碼流壓縮技術，其壓縮和解壓過程需要的時間較短，因此，本申請提供的傳輸系統沒有時間延遲，因此，本申請提供的數位視訊信號傳輸系統可以應用在對延遲要求嚴格的應用場景，例如倒車影像和遊戲。
習知技術四：將數位視訊信號例如HDMI、DP協定信號解包，對協定解包過的視頻碼流不進行壓縮處理，而是在信號傳輸的實體層，對信號進行編碼處理，如多電平編碼(PAM4，4電平，或者更多層級的電平編碼)，來降低傳輸信號的頻寬，實現增加傳輸距離的目的，但是這種做法功耗很高，晶片成本也很高，對纜線的要求很高，穩定性也不好。
而在本申請的傳輸系統中，透過對視頻碼流進行淺度無失真壓縮來降低頻寬從而達到延長傳輸距離的方式，功耗及晶片成本較低，而且本申請提供的方式對資料傳輸媒介的纜線要求較低，而且傳輸穩定性較高。因此，相較于習知技術四，本申請能夠在低功耗、低成本的前提下，實現對數位視訊信號尤其是高速數位視訊信號的穩定的長距離傳輸。
基於上述比較分析，本申請提供的數位視訊信號傳輸系統能夠同時達到傳輸距離長、硬體成本低、方便使用、圖像品質高以及功耗低和傳輸穩定的效果。
以上為本申請的具體實施方式。

Claims (10)

  1. 一種晶片，其包括：第一接收模組、協定邏輯模組、色彩空間轉換模組、壓縮模組和發送模組；其中，所述第一接收模組用於接收數位視訊信號；所述協定邏輯模組用於對所述數位視訊信號進行協定解包，得到視頻碼流；所述色彩空間轉換模組用於根據顯示裝置的解析度要求、資料傳輸媒介的類型和長度以及信號源支援的視頻格式對所述視頻碼流進行色彩空間轉換；所述壓縮模組用於對色彩空間轉換過的視頻碼流進行無失真壓縮；所述發送模組用於發送無失真壓縮後的視頻碼流。
  2. 如請求項1所述的晶片，還包括：增強模組，用於對所述發送模組發送的無失真壓縮後的視頻碼流進行預加重處理。
  3. 如請求項1所述的晶片，其中所述發送模組為並轉串模組。
  4. 如請求項3所述的晶片，其中所述並轉串模組為高速差分序列介面。
  5. 一種晶片，其特徵在於，包括：第二接收模組，解壓縮模組、色彩空間轉換模組、發射器邏輯模組以及輸出模組；其中，所述第二接收模組用於接收無失真壓縮後的視頻碼流；所述解壓縮模組用於對所述無失真壓縮後的視頻碼流進行解壓縮；所述色彩空間轉換模組用於根據顯示裝置的解析度要求、資料傳輸媒介的類型和長度以及信號源支援的視頻格式對解壓縮後的視頻碼流進行色彩空間轉換；所述發射器邏輯模組用於對色彩空間轉換後的視頻碼流進行編輯，得到符合數位視訊信號協定的數位視訊信號；所述輸出模組用於輸出數位視訊信號。
  6. 如請求項5所述的晶片，還包括：信號放大模組，用於在所述第二接收模組接收視頻碼流之前對預加重的視頻碼流進行放大處理。
  7. 如請求項5所述的晶片，其中所述第二接收模組為序列介面； 所述晶片還包括：串並轉換模組，用於將所述序列介面接收到的串列信號轉換為並行信號，並將所述並行信號傳送至所述解壓縮模組。
  8. 如請求項7所述的晶片，其中所述序列介面為通用高速差分序列介面。
  9. 一種數位視訊信號傳輸系統，其包括：發送端和接收端，所述發送端為請求項1-4任一項所述的晶片，所述接收端為請求項5-8任一項所述的晶片；所述發送端和所述接收端之間透過資料傳輸媒介連接。
  10. 如請求項9所述的系統，其中所述資料傳輸媒介為數位視訊信號的傳輸纜線、用於網路連接的網線和具有高頻寬資料直通和切換功能的晶片中的任一種。
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