Q:遠心鏡頭為何價格高,有何優點?
A: 遠心鏡頭的設計是采Telecentric原理,低失真、無視角誤差,較適合工業上量測應用,所以價位較一般CCTV鏡頭高。遠心鏡頭另有同軸鏡頭設計,提供不同工作距離,不同放大倍率供選擇。
Q: 遠心鏡頭為何低倍率鏡頭價格反而高?
A: 因為Telecentric鏡頭為了要減少失真,讓平行光進入,所以鏡頭設計必須比被照體大,所以低倍率鏡頭通常口徑都很大,所需的鏡片材料成本較高,所以價格較高。
Q: 同軸光鏡頭打同軸光時,中間亮度較亮旁邊整暗,是何原因?如何補救?
A: 因為同軸光鏡頭的投射光線集中于中心5~6㎜左右,如果看的范圍較大,邊緣附近光線較暗,這是低倍率同軸光鏡頭常有的現象。可以外加環形光源來補足光線不夠地方。
Q: 遠心鏡頭可否搭配CCTV用的2倍鏡使用?
A: 可以,但是影像質量變差,所需光強度更強,不建議使用。
Q: 遠心鏡頭規格上,標示鏡頭分解能(解析力)是代表什么意思?
A: 鏡頭解析力的定義是鏡頭能看清楚最小物體邊緣的能力,如果低于此分解能,就無法看清楚了。須另外找解析力更高的鏡頭,如高倍顯微物鏡。
Q: 遠心鏡頭景深為何不能很長?
A: 遠心鏡頭設計時即考慮到景深、倍率、光圈、工作距離等參數取得最佳點,所以景深均為固定的數值,如要增長景深,而犧牲別的參數,會影響鏡頭質量。
Q: 如果要看到1μm的物體可用何種鏡頭?
A: 要看到小于1μm以下物體,必須用高倍顯微物鏡,但工作距離變得很小(約7㎜),景深變得很淺了。
Q: 用遠心鏡頭所放大的影像到底是多少倍?
A: 影像實總際放大倍率是等于鏡頭光學倍率×Monitor放大倍率,Monitor放大倍率是Monitor對角線除上CCD Sensor對角線(1/3〞CCD Sensor投射到14吋Monitor是59.3倍)。
Q: 遠心鏡頭除了C-mount之外,可否提供其它mount選擇?
A: 除了C-mount之外,還有直徑φ17㎜及直徑φ12㎜二種mount供選擇,這些mount是針對筆型CCD專用的鏡頭。
三、像方遠心光路原理及作用
像方主光線平行于光軸主光線的會聚中心位于物方無限遠,稱之為:像方遠心光路
作用:可以消除像方調焦不準引入的測量誤差,用途:大地測量儀器
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四、雙側遠心光路原理及作用
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綜合了物方/像方遠心的雙重作用。主要用于視覺測量檢測領域。
優勢:
1、大景深;
2、景深范圍內物像倍率不變
3、低畸變通常<1%(全幅畫面)
4、垂直成像時,無投影現象
劣勢:
1、體積大、重量沉,由于平行光路入射,鏡頭的口徑要大于被攝物體
2、焦距固定,變焦困難
3、工作距離相對較短
4、光闌小,需要更強的照明
在設計工業機器視覺系統時,使用工業數字相機還是工業模擬相機是最重要的決定之一。二者各有其優缺點,但歸根結底要根據成本和一些關鍵操作因素來選擇。如果考慮了這些因素,哪一項技術更有優勢就會明朗化了。
機器視覺基礎
機器視覺被應用于自動質量檢驗、工藝控制、參數測量和自動組裝等等許多領域。在這些系統中,相機是決定著成本、速度和精度的關鍵組件。工業模擬相機和工業數字相機都可以用在這些系統中,而了解工業相機的性能規格及其在各種視覺任務中的重要性,對于把機器視覺付諸工業控制是最基本的一步。
機器視覺系統包括三個主要部分:工業相機、采集卡和存儲并分析圖像以提取信息的計算機(或圖像處理器)。圖像處理器和采集卡屬于相對容易選擇的電子裝置,它們的主要參數是存儲能力和處理速度。
工業相機是這些系統中情況最為復雜的部分。現代的工業模擬相機和工業數字相機采用電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)芯片來捕獲圖像并生成電子信號發送給計算機進行處理。
CCD和CMOS成像器由一系列方形光電池組成,它們將收集到的光子轉化為電子,并將生成的電荷積蓄起來。在CCD中,當從芯片中每次讀取一個像素時,電荷被轉換成電壓;而在CMOS中,每個光敏器件旁邊的電路將光能轉化成電壓。
二者在圖像質量上沒有明顯的優劣之分。基于CMOS的工業相機需要的部件較少,電耗較低,提供數據的速度也比基于CCD的相機快; 但CCD則是更為成熟的技術,能夠以較低的噪聲提供質量更好的圖像,而弱點是數據傳輸速度較慢,不太靈活,部件較多和電耗較高。
信號精度
CCD和CMOS芯片在內部都生成模擬信號,因此,模擬相機和數字相機之間的主要區別在于圖像是在哪里被數字化的。數字相機在相機里將信號數字化,并且通過串行總線接口(比如FireWire, USB, Camera Link, Gigabit Ethernet)將信號以數字方式傳輸給計算機(或圖像處理器)。而在另一方面,模擬相機系統并不是在其內部將圖像信號數字化(數字化是由計算機完成的),所以,模擬信息是通過同軸電纜而進行傳輸的。
盡管兩種方法都能夠有效地傳輸信號,但模擬信號可能會由于工廠內其他設備(比如電動機或高壓電纜)的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高,模擬相機的動態范圍(原始信號與噪聲之比)會降低。動態范圍決定了有多少信息能夠被從相機傳輸給計算機。
數字信號不受電噪聲影響,因此,數字相機的動態范圍更高,能夠向計算機傳輸更精確的信號。數字相機的典型動態范圍在55分貝到60分貝之間,而模擬相機則為45分貝到50分貝左右。
所用電纜的長度和類型也影響著信號的精度。模擬相機的電纜簡單而且便宜,在電噪聲導致信號嚴重失真之前能夠將信號可靠地300米以上。由于數字相機傳輸的是高帶寬信號,電纜的長度受電纜中信號良師衰減(損失)水平的限制。根據使用的通信協議的不同,電纜的典型長度如下:
· FireWire: 大約10米到20米
· USB: 大約10米到 20米
· Camera Link: 大約10米
現在,市場上有了采用千兆位以太網標準電纜的新系統。這些電纜能夠將數字圖像數據傳輸100米左右而不發生損失。
分辨率和捕獲速度
分辨率是描述相機性能的重要參數之一,它包括兩個方面:
· 陣列中傳感單元或稱像素的數量
· 每個傳感單元的大小
模擬相機通常是基于視頻圖形陣列(VGA)成像格式,分辨率被限制在大約640×480像素。這只是機器視覺系統要求的下限。而在另一方面,數字相機能夠達到80兆像素甚至更高。模擬相機和數字相機典型的像素大小在3微米到20微米范圍內。
第二個重要參數是幀速,或者說相機連續提供圖像的速度。幀速越高,在給定時間內能夠完成的檢驗、測量或識別工作就越多。像素數和幀速之間存在著相互影響,所以,相機的像素數越多,其幀速越低。但是,這并非是一成不變的規則,因為尺寸越小的半導體轉換速度通常就越快,所以像素數相同的兩臺相機可能具有差別很大的幀速。
640×480像素模擬相機的典型幀速為每秒30幀,而分辨率為2兆像素(1600×1200像素)的數字相機能夠達到相同的幀速。16兆像素的數字相機幀速約為每秒3幀。
另外,相機傳感器可采用多端口設計,將圖像分解成片段以同時讀出。還可以在軟件的控制下只讀取圖像中“感興趣”的部位而不是讀取全部傳感器陣列,同樣能夠縮短傳輸時間。
其他因素
除了分辨率和幀速,其他重要的設計因素還包括動態范圍和靈敏度。
動態范圍或圖像每個像素的字節數決定著采集卡需要的存儲容量以及圖像處理器需要的算法精度。它也影響著傳感器的曝光寬容度。每像素只有幾個字節的相機將無法像字節數更高的相機那樣滿足很寬的照明條件范圍。一般來說,數字相機的動態范圍指標更好一些,因為它們的抗噪聲性能更好。
傳感器靈敏度也決定著可靠地使用相機所需要的照明條件。在光線不好或者為防止運動圖像模糊而提高快門速度的情況下,要求相機具有更高的靈敏度。
同波長有關的相機靈敏度也許非常重要。根據應用的不同,可能需要采用發光二極管甚至紅外或紫外照明,相機的波長靈敏度也應當匹配。最后,相機生成彩色或者單色圖像的能力也十分重要。
關于總成本的考慮
各個設計參數共同影響著相機的成本。典型情況下,由于傳感器尺寸的原因,像素數越高的相機就越昂貴。與此類似,在一定的分辨率下,幀速提高,成本也趨向于增加。同時提高幀速和分辨率通常要求相機具有多端口讀出,這使系統的復雜程度增加,因而提高了成本。
從上世紀七十年代起,許多供應商都開始提供基于CCD和CMOS技術的模擬相機。典型的價位在200美元左右。模擬相機采集卡的價位也在200美元左右。
相比之下,數字相機的價位在1,000美元到20,000美元范圍內大幅度變化,數字相機采集卡的價位在1,000美元到2,000美元之間。但是,隨著數字相機和采集卡變得越來越普及,它們的價位也在逐漸降低。
在對成本進行比較時,設備的價格還只是問題的一個方面。設計人員還必須考慮軟件、硬件、安裝、維護和升級等方面的成本,還有,給定的相機技術是否能夠達到要求的性能。
完成特定任務所需要的工業相機數量在安裝成本中占到了一定比例。舉例來說,從1毫米見方的檢驗區域中解析出1微米見方的片段,可能需要用到5臺模擬相機和采集卡,而這些制備必須保持同步以獲得清晰的圖像。
只使用1臺百萬像素的工業數字相機和采集卡就可以解析同樣大小的區域,而且無需在計算機中同步處理多幅圖像。例如,一家汽車制造商的保險杠檢驗系統需要12臺模擬相機、12片采集卡12套軟件和3臺計算機。公司發現,就算可能,使所有相機的圖像同步化以獲得一幅保險杠的可靠圖像也是難度相當大的。用1臺百萬像素的數字相機、1片采集卡和1臺計算機取代了這個相機陣列后,系統的安裝和維護都變得十分簡單和方便。
一般來說,典型的數字相機需要更長的時間進行安裝和設定,但對于前述應用實例而言,需要的數字相機數量大為減少。因此,維護成本也將大幅度降低。另外,數字相機的功能性和靈活性都更強,能夠快速重新編程,在系統運行過程中即可進行現場固件升級。而相比之下,模擬相機則必須被送回制造廠才能進行性能升級。
最后一項成本因素是功率消耗。典型的模擬相機需要5瓦到10瓦操作功率,而分辨率指標相當的數字相機則不到1瓦。
應用要求
對于一項應用,選擇什么樣的工業相機合適,取決于機器視覺系統想要達到什么目標。視覺檢驗、非接觸式測量、物體識別和定位是三個常見的應用,每一個都有不同的要求。
典型的檢驗系統將圖像同模板或者“已知合格品”圖像進行對比以檢查偏差。高質量的圖像一般需要用圖像處理器來進行可靠的對比。這意味著,工業相機必須同時具有高分辨率和每像素足夠的字節數。可能也需要彩色成像能力。
非接觸式測量計算一個物體占據的像素數量,并將計數結果轉化成尺寸數值。這樣的系統可能需要高分辨率,而每像素的字節數要求可能不必太高。圖像處理器通常只提取圖像的邊緣或外形輪廓信息,所以,一般并沒有很高的動態范圍和彩色能力要求。
物體識別和定位有各種各樣的要求。在許多情況下,圖像處理系統在圖像中搜尋以識別出基準特征。需要的分辨率取決于這些特征相對于整個圖像尺寸的大小。識別系統可能會需要彩色成像能力。
為機器視覺系統選擇相機時要認真考慮工業相機的性能和成本。雖然工業模擬相機遠比工業數字相機便宜,但它們的分辨率和圖像質量較低,所以可能會被局限在要求不太高的應用中。數字相機比模擬相機昂貴,但它們的高成本可能值得為要求高速度、高準確度和高精度的應用而付出。
四種工業相機接口技術的比較
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GigE
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Firewire
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USB
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Camera Link
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標準類型
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Commercial
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Consumer
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Consumer
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Commercial
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連接方式
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點對點或LAN link
(Cat 5 TP - RJ45)
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點對點
– 共享總線
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主/從
– 共享總線
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點對點
– (MDR 26 pin)
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帶寬
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<1000Mb/s
連續模式
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<400Mb/s
連續模式
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<12Mb/s USB1 <480Mb/s USB2 突發模式
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<2380Mb/s (base) <7140Mb/s (full)
連續模式
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距離:
-max w/switch
-max w/fiber
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<100m(no switch)
No Limit
No Limit
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<4.5m
72m
200m
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<5m
30m
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<10m
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可連接設備數量
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Unlimited
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63
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127
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1
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PC Interface
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GigE NIC
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PCI card
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PCI card
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PCI Frame grabber
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1、模擬相機&&數字相機
模擬相機必須帶數字采集卡,標準的模擬相機分辨率很低,另外幀率也是固定的。這個要根據實際需求來選擇。另外模擬相機采集到的是模擬信號,經數字采集卡轉換為數字信號進行傳輸存儲。模擬信號可能會由于工廠內其他設備(比如電動機或高壓電纜)的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高,模擬相機的動態范圍(原始信號與噪聲之比)會降低。動態范圍決定了有多少信息能夠被從相機傳輸給計算機。數字相機采集到的是數字信號,數字信號不受電噪聲影響,因此,數字相機的動態范圍更高,能夠向計算機傳輸更精確的信號。
2、相機分辨率
根據系統的需求來選擇相機分辨率的大小,下面以一個應用案例來分析。
應用案例:假設檢測一個物體的表面劃痕,要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野范圍在12*10mm,那么相機的最低分辨率應該選擇在:(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬像素的相機,也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話,那么最低分辨率必須不少于120萬像素,但市面上常見的是130萬像素的相機,因此一般而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是,如果一個像素對應一個缺陷的話,那么這樣的系統一定會極不穩定,因為隨便的一個干擾像素點都可能被誤認為缺陷,所以我們為了提高系統的精準度和穩定性,最好取缺陷的面積在3到4個像素以上,這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上,即最低不能少于300萬像素,通常采用300萬像素的相機為最佳(我見過最多的人抱著亞像素不放說要做到零點幾的亞像素,那么就不用這么高分辨率的相機了。比如他們說如果做到0.1個像素,就是一個缺陷對應0.1個像素,缺陷的大小是由像素點個數來計算的,試問0.1個像素的面積怎么來表示?這些人以亞像素來忽悠人,往往說明了他們的沒有常識性)。換言之,我們僅僅是用來做測量用,那么采用亞像素算法,130萬像素的相機也能基本上滿足需求,但有時因為邊緣清晰度的影響,在提取邊緣的時候,隨便偏移一個像素,那么精度就受到了極大的影響。故我們選擇300萬的相機的話,還可以允許提取的邊緣偏離3個像素左右,這就很好的保證了測量的精度。
3、CCD&CMOS
如果要求拍攝的物體是運動的,要處理的對象也是實時運動的物體,那么當然選擇CCD芯片的相機為最適宜。但有的廠商生產的CMOS相機如果采用幀曝光的方式的話,也可以當作CCD來使用的。又假如物體運動的速度很慢,在我們設定的相機曝光時間范圍內,物體運動的距離很小,換算成像素大小也就在一兩個像素內,那么選擇CMOS相機也是合適的。因為在曝光時間內,一兩個像素的偏差人眼根本看不出來(如果不是做測量用的話),但超過2個像素的偏差,物體拍出來的圖像就有拖影,這樣就不能選擇CMOS相機了。
4、彩色&黑白
如果要處理的是與圖像顏色有關,那當然是采用彩色相機,否則建議你用黑白的,因為黑白的同樣分辨率的相機,精度比彩色高,尤其是在看圖像邊緣的時候,黑白的效果更好。
5、幀率
根據要檢測的速度,選擇相機的幀率一定要大于或等于檢測速度,等于的情況就是你處理圖像的時間一定要快,一定要在相機的曝光和傳輸的時間內完成。
6、線陣&面陣
對于檢測精度要求很高,面陣相機的分辨率達不到要求的情況下,當然線陣相機是必然的一個選擇。
7、傳輸接口
根據傳輸的距離、穩定性、傳輸的數據大小(帶寬)選擇USB、1394、Camerlink、百兆/千兆網接口的相機。
8、CCD靶面
靶面尺寸的大小會影響到鏡頭焦距的長短,在相同視角下,靶面尺寸越大,焦距越長。在選擇相機時,特別是對拍攝角度有比較嚴格要求的時候,CCD靶面的大小,CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。因此在選擇CCD尺寸時,要結合鏡頭的焦距、視場角一起選擇,一般而言,選擇CCD靶面要結合物理安裝的空間來決定鏡頭的工作距離是否在安裝空間范圍內,要求鏡頭的尺寸一定要大于或等于相機的靶面尺寸。
9、相機的價格
同樣參數的相機,不同的廠家價格各不相同,這就靠大家與廠家溝通和協商了。一般說來,如果你有量的話,整體價格跟你單買一個的價格是差別很大的。
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工業相機到傳感器對應放大倍率
工業相機像幅
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傳感器尺寸( 對角線 )
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9’’
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12’’
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13’’
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20’’
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27’’
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1/4’’
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76.2x
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82.6x
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127x
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171.5x
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1/3’’
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38.1x
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50.7x
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55.0x
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84.6x
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114.1x
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1/2’’
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28.6x
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38.1x
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41.3x
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63.5x
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85.7x
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20.8x
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27.7x
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30.0x
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46.2x
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62.3x
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1’’
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