JPH08202877A - 画像認識装置 - Google Patents

画像認識装置

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JPH08202877A
JPH08202877A JP7014006A JP1400695A JPH08202877A JP H08202877 A JPH08202877 A JP H08202877A JP 7014006 A JP7014006 A JP 7014006A JP 1400695 A JP1400695 A JP 1400695A JP H08202877 A JPH08202877 A JP H08202877A
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JP
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JP7014006A
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English (en)
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Hiroshi Tominaga
博 富永
Toshihiko Suzuki
敏彦 鈴木
Keiji Aoki
啓二 青木
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 種々の条件下で得られた画像から路面の白線
を認識する。 【構成】 基準画像記憶手段2に予め記憶された基準画
像を用いて演算手段3のニューラルネットワークを学習
する。学習済みのニューラルネットワークを用いて画像
撮像手段1で得られた画像を処理し、基準画像との相関
を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は画像認識装置、特にニュ
ーラルネットワーク(以下、NNと称する)を用いた装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、車両運転者の負担を軽減する
ための装置が各種提案されており、究極的なものとして
は走路形状を認識して自動操舵を行う自動運転装置があ
る。走路形状を認識する方法としては、画像処理により
走路を認識する方法や電磁誘導方式などが提案されてい
るが、この中でも特に路面の白線を画像処理により認識
する方法は既存の白線をそのまま利用できる利点がある
ため、実現に向け鋭意研究、開発が行われている。
【0003】例えば、特開平6−119593号公報に
は、カメラにより得た画像をフレームメモリに記憶し、
所定のサーチウィンドウ毎にメモリから読み出して所定
のテンプレートを比較し相関演算を行う装置が提案され
ている。テンプレートとの相関の高い位置が白線位置で
あり、サーチウィンドウを車両に近い側から遠い側に向
けて順次移動させつつ同様の相関演算を行い、連続した
白線位置を検出する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、テンプ
レートを用いた差分和に基づく相関法では、白線などの
対象物体の形状変化や輝度変化に対する柔軟性、応答性
に欠け、これらの影響による相関量の低下が著しいとい
う問題があった。
【0005】もちろん、このような問題に対し予め複数
のテンプレートを用意して複数回の相関演算を行う、あ
るいは対象物体の変化に応じてテンプレートを順次最新
のものに更新する、処理対象画像の輝度正規化を行った
後に相関演算を行う、等のアプローチが考えられるが、
処理の複雑化を招いて処理時間が増大してしまう問題が
新たに生じる。特に、車両に搭載してリアルタイムで白
線検出を行う場合、迅速性が高度に要求されるため、こ
のような処理時間の増大は無視できない。
【0006】本発明は上記従来技術の有する課題に鑑み
なされたものであり、白線等の対象物体が形状や輝度の
点で種々変化していても、迅速かつ確実に取得画像から
認識できる画像認識装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の画像認識装置は、車両周囲画像を撮
像する画像撮像手段と、予め用意された代表的な基準画
像を記憶する記憶手段と、前記画像撮像手段で得られた
画像の所定領域内の画像と前記基準画像の相関を、前記
基準画像を用いて学習したNNで演算する演算手段とを
有することを特徴とする。
【0008】また、上記目的を達成するために、請求項
2記載の画像認識装置は、請求項1記載の画像認識装置
において、前記画像撮像手段での撮像条件に応じて前記
基準画像は複数用意され、前記演算手段は前記複数の基
準画像を用いて追加学習したNNを用いて相関を演算す
ることを特徴とする。
【0009】
【作用】請求項1記載の画像認識装置では、汎化能力に
優れたNNを用いて基準画像と撮像画像との相関演算を
行う。NNの学習は、認識すべき物体の基準画像を用い
て行われ、これにより種々の条件下で得られた画像から
複雑な処理を追加することなく確実に対象物体を認識す
ることができる。
【0010】請求項2記載の画像認識装置では、NNの
追加学習能力を巧みに利用し、基準画像を複数用意して
NNの追加学習を行う。この追加学習により、NNの汎
化能力が拡大し、より厳しい条件下での撮像画像に対し
ても確実に対象物体を認識できる。
【0011】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例について
路面の白線を認識する場合を例にとり説明する。
【0012】図1には本実施例の概念構成図が示されて
いる。車両に画像撮像手段1が設けられ、画像撮像手段
1により路面の白線を含む車両前方画像を撮像する。ま
た、基準画像記憶手段2が設けられ、予め定められた基
準画像がパターンとして記憶されている。基準画像はN
Nから構成される演算手段3に入力され、パターン学習
手段4によりNNの学習が行われる。この学習は、基準
画像パターンがNNの入力層に入力された場合に出力層
から所定値(例えば1.0)が出力されるようにNNを
構成する各ニューロンの重みを決定することにより行わ
れるが、その詳細は後述する。基準画像を用いた学習さ
れたNNに対し、画像撮像手段1で撮像された画像(処
理対象画像)が入力され、NNを用いて処理されて相関
値が出力される。この相関値は、従来の差分和による相
関値に対応するものであり、この相関値の位置による変
化に基づいて白線などの対象物体が検出される。
【0013】また、パターン学習手段4は、撮像条件に
応じて追加学習が必要な場合には基準画像記憶手段2に
記憶された複数の基準画像を用いてNNの追加学習を行
い、入力した撮像画像の相関値を演算する。なお、追加
学習とは、基準画像が2個(それぞれ基準画像I、II
とする)存在する場合には、まず基準画像Iを用いてN
Nを学習し、学習済みのNNに対してさらに基準画像I
Iを用いて学習することをいい、基準画像I及びIIを
同時にNNの入力層に入力して学習を行うことを意味す
るものではない。
【0014】図2には本実施例の具体的な構成ブロック
図が示されている。画像撮像手段1としてはCCDカメ
ラ10が車両に設けられ、車両前方画像を撮像する。得
られた前方画像はA/Dコンバータ12に出力され、デ
ジタル信号に変換されてビデオRAM14に格納され
る。本実施例では撮像画像は512×512画素から構
成され、A/Dコンバータ12では各画素は8ビットの
256階調にデジタル化される。
【0015】一方、予め用意される8×8画素の基準画
像はメインRAM18内に格納され、この基準画像がN
Nをハード的に構成する演算手段3としてのDSP(デ
ジタルシグナルプロセッサ)16に供給される。DSP
16では、基準画像がNNの入力層に入力された時に出
力層から所定値が出力されるようにNNを構成する各ニ
ューロンの重みをユーザROMに格納されているNN用
ソフトウエアに従って学習により決定する。従って、こ
のユーザROM22がパターン学習手段4を構成するこ
とになる。なお、使用されるNNモデルはパーセプトロ
ン型NNである。
【0016】学習が終了した後、ビデオRAM14に格
納された画像のなかの所定領域の画像が所定の順序で読
み出され、DSP16に供給される。DSP16は入力
された画像と学習済みのNNを用いて演算を行い、演算
結果をメインRAM18に出力する。DSP16に順次
供給される画像は基準画像の大きさに対応した8×8画
素の画像である。所定領域内の全ての画像について演算
が行われた後、DSP16はメインRAM18に格納さ
れている演算結果から白線位置を決定し、撮像画像とと
もにビデオRAM24に格納する。ビデオRAM24に
格納されたデータはD/Aコンバータ26でアナログ信
号に変換され、ビデオディスプレイ28に出力され、撮
像画像とともに白線位置が画面上に表示される。
【0017】ここで、DSP16で構成されるNNの入
力ノード数は、8×8画素の入力画像の各画素に1ノー
ドを割り当てるため64個に設定され、中間ノード数は
2〜32の範囲で設定して最適値を求める構成とし、出
力ノード数は後述する2種類の学習法に応じて1個また
は2個としている。
【0018】図3にはビデオRAM14に格納された撮
像画像の中の所定領域であるサーチエリア及びNNを構
成するDSP16に順次入力される入力画像が示されて
いる。サーチエリアは8×L画素から構成され、入力画
素は上述したように8×8画素である。この入力画像が
図において順次1画素ずつ横にずれていき、各位置毎に
DSP16でNNによる演算が実行される。
【0019】このようにしてサーチエリア内の全ての画
像がDSP16に入力されると、サーチエリア内の全て
の位置に対してNN出力が得られ、結局位置の関数とし
てNN出力が得られることになる。
【0020】図4にはこのようなNN出力の一例が示さ
れており、各画像位置Xに対してNN出力、すなわち入
力画像と基準画像との相関値が示されている。この関係
は、ちょうど従来の差分和による相関値に対応するもの
である。従って、このグラフの絶対値及び傾きから、ど
の位置が最も相関が高く白線位置であるかを特定するこ
とができる。
【0021】図5にはNNを学習させる際に用いられる
白線位置が示されており、標準的な白線の左側エッジ部
分である。この部分の画像を基準画像としてNNに入力
することにより、標準的な白線左エッジの輝度パターン
を学習させるのである。なお、エッジ部分のパターンを
学習させるのは白線の幅に依存しない認識を行わせるた
めであり、また、輝度分布を反転させることにより容易
に白線右側のエッジの認識に拡張することができる。
【0022】<NNの学習方法>ここで、NNの学習方
法について説明する。本実施例においてNNを学習させ
る目的は、代表的な基準画像パターンをNNに学習させ
ることにより、NN自体の汎化能力により種々の撮像条
件下での白線候補位置認識を可能とすることである。そ
こで、本実施例では、以下の2つの方法で学習を行って
いる。
【0023】(1)昼間晴天時の基準画像パターンを学
習させる学習法I (2)昼間曇天時の基準画像パターンを(1)のパター
ンに追加して学習させる学習法II。
【0024】図6には、学習法Iで用いられる基準画像
パターンが示されている。学習法Iでは、基準画像パタ
ーンとして(a)、(b)、(c)の3つが用意され、
(b)が昼間晴天時の白線左エッジ部の基準画像に相当
する。そして、学習法はパターン(b)に対し出力1、
パターン(a)、(c)に対し出力0となるように学習
する。また、図7には学習法IIで用いられる基準画像
パターンが示されている。基準画像パターンとして
(a)、(b)、(c)、(d)の4つが用意され、
(a)、(b)、(d)は学習法Iと同一であり、新た
に付加されたパターン(c)が昼間曇天時の白線左エッ
ジ部の基準画像に相当する。そして、NNの出力ノード
数を2とし、パターン(a)、(d)に対し出力00、
パターン(b)に対し出力10、パターン(c)に対し
出力01となるように学習する。
【0025】図8(A)及び(B)には、それぞれ学習
法Iのパターン(b)及び学習法IIのパターン(c)
で使われる入力画像の実際の輝度分布の一例が示されて
いる。上述したように輝度は0〜255で表され、NN
の学習はこれらの値を255で割り、0〜1の範囲へと
正規化した値を用いて行われる。なお、学習法I、II
のパターン(a)は全て0で表され、学習法Iのパター
ン(c)及び学習法IIのパターン(d)は全て255
(正規化した場合は1)で表される。
【0026】図9には、DSP16がNNソフトウェア
に基づき実行するNNの学習フローチャートが示されて
いる。この学習アルゴリズムはバックプロパゲーション
(BP)法による。まず、結合係数とオフセットを乱数
を用いて初期化し(S101)、学習パターンをセット
する(S102)。すなわち、図6及び図7に示された
入力パターンとそれに対応する出力パターンを設定す
る。学習法Iでは、学習パターンは3組であり、学習法
IIでは4組である。次に、中間層ユニットの出力計算
及び出力層ユニットの出力計算を行う(S103、S1
04)。この計算は、k層第iユニットへの入力をik
i 、出力をOk i 、(k−1)層の第iユニットからk
層の第jユニットへの重みをWk.k-1 ijとすると、
【数1】ik j =Σ(Wk-1,k ijk-1 i )、Ok i
f(ik i ) 但し、Qをオフセットとして
【数2】f(x)=1/{1+exp(−x+Q)} である。
【0027】出力層ユニットの出力計算が終了した後そ
の誤差を計算し、さらに中間層ユニットの誤差を計算す
る(S105、S106)。この誤差計算は、提示した
出力パターンmの第i要素をtm i 、実際にNNが出力
した出力パターンmの第i要素をOm i とすると、
【数3】E=Σ{1/2・Σ(tm i −Om i 2 } により行われる。そして、この誤差Eの値に応じて中間
層と出力層間の結合係数及び出力層ユニットのオフセッ
トの更新を行い(S107)、さらに入力層と中間層間
の結合係数及び中間層ユニットのオフセットの更新を行
う(S108)。このようにして1組の入出力パターン
での学習が終了した後、次の入出力パターンでの学習を
行う(S109、S110)。全てのパターンでの学習
が終了した後(学習法Iでは3組、学習法IIでは4組
である)、学習繰り返し回数を順次インクリメントして
いき(S111)、所定の繰り返し回数に達するまでこ
れらの処理を繰り返す(S112)。
【0028】なお、学習法Iあるいは学習法IIのいず
れを用いるかは適宜選択可能とすることができ、好条件
の場合には学習法Iを選択し、比較的条件の厳しい場合
には学習IIを選択することができる。または、予め学
習法Iで学習したものと学習法IIで学習したものの2
種類用意しておき、まず学習法1で学習したもので画像
認識を行い、良好な結果が得られなかった場合に、次に
学習法IIで学習したもので画像認識を行う2段階処理
も考えられる。
【0029】<白線認識>以上のようにしてNNの学習
が完了すると、実際にCCDカメラ10で得られた画像
の評価に移行する。図10には、学習が完了したDSP
16での白線認識処理フローチャートが示されている。
なお、図10は学習法Iあるいは学習法IIのいずれか
の方法で学習した場合の処理フローチャートである。ま
ず、図3に示すように画像内にサーチエリアを設定し
(S201)、入力画像エリアの位置Xをリセットした
後(S202)、NNの64個の入力ノードへ8×8画
像の各画素を入力する(S203)。NN(実際にはD
SP16)では、入力層、中間層、出力層を経て計算が
行われ、最終的に1個の出力層から0〜1の間の数値が
出力される(S204)。もちろん、入力画像パターン
が図6(a)、(c)に近い場合には出力値は0近傍と
なり、入力画像パターンが図6(b)に近い場合には出
力値は1近傍になる。以下同様にしてサーチエリア内で
入力画像を順次移動して計算を繰り返し、入力画像位置
xがサーチエリアの終端(右端)に達した場合には(S
205)、DSP16は、位置xの関数として求められ
たNN出力値が最大、つまり最も1に近い値となる位置
Xを求める(S206)。
【0030】そして、位置XにおけるNN出力値が所定
値aより大きいか否か、及びその近傍におけるNNの変
化率(グラフの傾き)の絶対値が所定値bより大きいか
否かを判定し(S207)、いずれも大きい場合には、
最も相関の強い位置はXであるとして位置Xに白線があ
ると判定する(S208)。一方、NN出力値が所定値
以下、あるいは変化率が所定値以下である場合には、相
関が十分強くないとして白線はないと判定する(S20
9)。
【0031】なお、学習法IIを用いる場合には、出力
ノードが2個であるので、S206では2個の出力値の
内、値の大きい方をその位置xにおけるNN出力値とす
る。また、学習法I及び学習法IIをともに用いる場合
には、まず学習法Iで学習したものでNN出力を計算
し、S207でNN出力値が所定値以下、あるいは変化
率が所定値以下であると判定された場合に学習法IIで
学習したもので再びNN出力を計算し、S207の判定
を行う。その結果、位置XにおけるNN出力値が所定値
aより大きく、その近傍におけるNNの変化率(グラフ
の傾き)の絶対値が所定値より大きい場合には、最も相
関の強い位置はXであるとして位置Xに白線があると判
定し、そうでない場合には白線はないと判定すればよ
い。
【0032】図11乃至図15には、本実施例で白線認
識を試みた5個の画像の輝度分布が示されている。各図
において、横軸は画像内の横位置、縦軸は画面上方から
200ビットの位置における画像断層の輝度(0〜25
5)を示している。図11は白線の一部に歩道橋の影が
存在する場合の画像であり、影が存在する領域では路面
と白線間の輝度差は小さく、白線内の輝度は一定で、白
線のエッジは明確であるという特徴を有する。図12は
トンネル内の画像であり、路面と白線間の輝度差は小さ
く、白線内の輝度は一定で、白線のエッジはやや不明確
であるという特徴を有する。図13は白線かすれの画像
であり、路面と白線間の輝度差は小さく、白線内の輝度
は一定でなく、白線のエッジはやや不明確であるという
特徴を有する。図14は雨天の場合の画像であり、路面
と白線間の輝度差は小さく、白線内の輝度は一定でな
く、白線のエッジはやや不明確であるという特徴を有す
る。図15は夜間の画像であり、路面と白線間の輝度差
は大きく、白線内の輝度は一定でなく、白線のエッジは
不明確であるという特徴を有する。
【0033】図16乃至図21には、これらの図で示さ
れる輝度分布を有する各画像を入力した場合の、DSP
16の処理結果(NN出力値)である。なお、図16は
標準的(晴天で影がなく、白線かすれもない)時の画像
を入力した場合の学習法Iによる処理結果であり、横軸
は位置x,縦軸は0〜1のNN出力値(相関量)を表し
ている。また、図17が図11の画像を入力した場合の
NN出力値であり、学習法Iで学習した場合の値であ
る。図18は図12の画像を入力した場合のNN出力値
であり、学習法IIで学習した場合の値である。学習法
IIとしたのは、学習法Iでは良好な結果が得られなか
ったからである。図19は図13の画像を入力した場合
のNN出力値であり、学習法IIで学習した場合の値で
ある。図20は図14の画像を入力した場合のNN出力
値であり、学習法IIで学習した場合の値である。図2
1は図15の画像を入力した場合のNN出力値であり、
学習法Iで学習した場合の値である。なお、各図におい
て、比較のため従来のテンプレートを用いた差分和によ
る相関演算法により得られる相関量も示している。従来
の差分演算に比べ、NNによる相関量は大きく、かつ、
鋭いピークを示していることがわかる。
【0034】<評価>図16乃至図21の各画像処理結
果を評価すべく、以下のような基準を用いた。(1)N
Nによる処理 (a)白線以外の位置でのNN出力が0.5以上または
白線位置でのNN出力が0.5以下の場合:評価X (b)白線以外の位置でのNN出力が0.5以下、か
つ、白線位置でのNN出力が0.5〜0.8:評価△ (c)白線以外の位置でのNN出力が0.5以下、か
つ、白線位置でのNN出力が0.8以上:評価○ (2)従来のテンプレートを用いた差分和による処理 白線位置での相関量及び相関グラフの傾きを基準として
NNの場合と同様に評価した。
【0035】図22には、このような基準に基づき評価
した結果が示されている。画像番号1〜6はそれぞれ図
16〜図21に対応するものである。なお、図において
NN学習法I及びIIにおける「2」「32」は中間層
のノード数を表している。これらの結果から、NNを用
いた処理方法では従来方法に比べ白線と路面間での出力
差が明確に現れ、十分な白線認識が行えることが分か
る。
【0036】なお、白線と路面間の輝度差が認識能力に
与える影響は大きく、差の小さな画像番号3、4、5
(図18、図19、図20に相当)では上述したように
学習法Iでは十分な認識結果を得ることはできなかっ
た。また、中間層のノード数を変化させても、認識結果
には大きな差はなく、いずれの場合も同等の認識結果が
得られた。
【0037】このように、本実施例では、NNを用いて
撮像画像を処理することにより、従来の差分和による相
関演算法では白線を認識することができないような状況
下でも、容易にかつ迅速に白線を認識することができ
る。特に、NNには追加学習能力があるため、より条件
の厳しい画像の場合には、新たな白線輝度変化パターン
を基準画像として追加学習することにより、容易に対応
可能となる利点がある。また、追加学習はいわゆるオフ
ライン処理で行われる(実際の画像処理に先立って別個
に行われる)ため、認識処理する実時間も増加すること
はない。
【0038】なお、上記実施例では画像内の白線を認識
する場合を例示したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、例えば車両周囲に存在する他の車両のエッジ
部を検出する、あるいは路面に存在する標識を認識する
等の応用が考えられる。他の車両のエッジ部を認識する
場合には、基準画像として標準的なエッジ画像パターン
を用いてNNを学習させておく必要があることは言うま
でもない。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1乃至請求
項2記載の画像認識装置によれば、種々の条件下で得ら
れた撮像画像から、白線等の所望の対象物を迅速かつ確
実に認識することができる。
【0040】特に、請求項2記載の画像認識装置によれ
ば、NNの追加学習により、より条件の厳しい画像に対
しても、認識処理時間を増大させることなく容易に対応
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例の概念構成図である。
【図2】 同実施例の構成ブロック図である。
【図3】 同実施例のサーチエリア説明図である。
【図4】 同実施例のNNによる相関量演算の説明図で
ある。
【図5】 同実施例のNNの学習位置説明図である。
【図6】 同実施例の学習法Iの基準画像パターン説明
図である。
【図7】 同実施例の学習法IIの基準画像パターン説
明図である。
【図8】 同実施例の基準パターンの輝度分布説明図で
ある。
【図9】 同実施例のNN学習フローチャートである。
【図10】 同実施例のNNによる白線認識フローチャ
ートである。
【図11】 同実施例の歩道橋影の画像輝度分布図であ
る。
【図12】 同実施例のトンネル内の画像輝度分布図で
ある。
【図13】 同実施例の白線かすれの画像輝度分布図で
ある。
【図14】 同実施例の雨天の画像輝度分布図である。
【図15】 同実施例の夜間の画像輝度分布図である。
【図16】 同実施例の晴天時の相関量説明図である。
【図17】 同実施例の歩道橋影の相関量説明図であ
る。
【図18】 同実施例のトンネル内の相関量説明図であ
る。
【図19】 同実施例の白線かすれの相関量説明図であ
る。
【図20】 同実施例の雨天の相関量説明図である。
【図21】 同実施例の夜間の相関量説明図である。
【図22】 同実施例の評価結果を示す表図である。
【符号の説明】
10 CCDカメラ、12 A/Dコンバータ、14
ビデオRAM、16DSP、18 メインRAM、20
システムROM、22 ユーザROM、24 ビデR
AM、26 D/Aコンバータ、28 ビデオディスプ
レイ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 車両周囲画像を撮像する画像撮像手段
    と、 予め用意された代表的な基準画像を記憶する記憶手段
    と、 前記画像撮像手段で得られた画像の所定領域内の画像と
    前記基準画像の相関を、前記基準画像を用いて学習した
    ニューラルネットワークで演算する演算手段と、 を有
    することを特徴とする画像認識装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の画像認識装置において、 前記画像撮像手段での撮像条件に応じて前記基準画像は
    複数用意され、 前記演算手段は前記複数の基準画像を用いて追加学習し
    たニューラルネットワークを用いて相関を演算すること
    を特徴とする画像認識装置。
JP7014006A 1995-01-31 1995-01-31 画像認識装置 Pending JPH08202877A (ja)

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JP7014006A JPH08202877A (ja) 1995-01-31 1995-01-31 画像認識装置

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JP7014006A JPH08202877A (ja) 1995-01-31 1995-01-31 画像認識装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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