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技術 画像生成方法および画像生成装置

出願人 松下電器産業株式会社
発明者 石橋裕大
出願日 2005年1月7日 (15年0ヶ月経過) 出願番号 2005-002233
公開日 2006年7月20日 (13年5ヶ月経過) 公開番号 2006-190135
状態 未査定
技術分野 イメージ生成
主要キーワード 通常モデル 決定フェーズ 簡略モデル テーブル引き 選択フェーズ 局所照明 モデル作成者 バウンダリボックス
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年7月20日)のものです。
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図面 (9)

課題

次元コンピュータグラフィックス画像の生成処理負荷を減らしフレームレートを改善させる方法として、従来、視点からの距離が遠い描画対象オブジェクトスクリーン画面上に占める大きさが一般的に小さくなることから、このような描画対象オブジェクトに対してはポリゴン数の少ない簡略モデルを用いる方法が提案されている。しかし、この方法では、同一の描画対象オブジェクト内のポリゴンに対しては一様に光源処理を行うため、計算負荷削減効果が不十分であり、さらなる計算負荷削減方法を必要とした。

解決手段

描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択手段と、前記光源計算式選択手段で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理手段とを備えた。

概要

背景

コンピュータの内部で表現された3次元空間上の描画対象オブジェクトディスプレイに表示するためには、描画対象オブジェクトに対して光源処理を行い、2次元平面(スクリーン画面)上に投影する必要がある。通常、光源処理はすべての描画対象オブジェクトに対して一様に行うため、描画対象オブジェクトや描画対象オブジェクトのモデルに含まれるポリゴン数が多くなった場合、光源処理に対する計算負荷が非常に大きくなってしまうという問題があった。

この問題に対し、従来からよく用いられる計算負荷を軽減する方法として、下記非特許文献1に記載されたLOD(Level Of Detail)が知られている。LODは、視点からの距離が遠い描画対象オブジェクトはスクリーン画面上に占める大きさが一般的に小さくなり荒さが目立たなくなることから、このような描画対象オブジェクトに対してはポリゴン数の少ない簡略モデルを用いることで、光源処理すべきポリゴンの数を減らし計算負荷を軽減する方法である。LODでは、あらかじめ1つの描画対象オブジェクトに対して、ポリゴン数の異なる複数のモデルを用意しておく。描画対象オブジェクトの描画処理時に視点と描画対象オブジェクトとの距離を求め、この距離に応じて実際の描画に使用するモデルを選択する。図8はLODの例を示す図である。図8の視点801と描画対象オブジェクトとの距離が近い場合は、多くの細かいポリゴンから構成された滑らかな詳細モデル802を用いる。また、視点801と描画対象オブジェクトとの距離がやや遠い場合は、比較的ポリゴン数の少ない通常モデル803を用いる。視点801と描画対象オブジェクトとの距離が遠い場合は、ポリゴン数の少ない簡略モデル804を用いる。このように描画対象オブジェクトが視点から遠ざかっていくにしたがってポリゴン数の少ないモデルに置き換えていくことで、スクリーン画面上に占める面積の小さい遠くにある描画対象オブジェクトの計算負荷を削減することができる。
明解次元コンピュータグラフィックス初版) 荒屋真二著 共立出版(第56頁)

概要

3次元コンピュータグラフィックス画像の生成処理負荷を減らしフレームレートを改善させる方法として、従来、視点からの距離が遠い描画対象オブジェクトはスクリーン画面上に占める大きさが一般的に小さくなることから、このような描画対象オブジェクトに対してはポリゴン数の少ない簡略モデルを用いる方法が提案されている。しかし、この方法では、同一の描画対象オブジェクト内のポリゴンに対しては一様に光源処理を行うため、計算負荷削減効果が不十分であり、さらなる計算負荷削減方法を必要とした。描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択手段と、前記光源計算式選択手段で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理手段とを備えた。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

次元コンピュータグラフィックス画像を描画する方法であって、描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択手段と、前記光源計算式選択手段で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理手段とを備えることを特徴とする画像生成方法

請求項2

前記光源計算式選択手段は、前記頂点処理優先度と前記頂点と視点の距離とをキーとしたテーブル引きによって光源計算式を選択することを特徴とする、請求項1に記載の画像生成方法。

請求項3

前記光源計算式選択手段は、前記頂点処理優先度と前記頂点と視点の距離とをパラメータとした計算式計算結果によって光源計算式を選択することを特徴とする、請求項1に記載の画像生成方法。

請求項4

前記光源計算式選択手段によって選択される光源計算式の候補に、すでに光源処理済みの他のポリゴン頂点光源計算結果の一部もしくは全部を補間して光源処理結果を求める光源計算式が含まれることを特徴とする、請求項1に記載の画像生成方法。

請求項5

前記光源計算式選択手段によって選択される光源計算式の候補に、他の光源計算式の一部を省略した光源計算式が含まれることを特徴とする、請求項1に記載の画像生成方法。

請求項6

前記頂点処理優先度を設定する頂点処理優先度決定手段を備えることを特徴とする、請求項1に記載の画像生成方法。

請求項7

ポリゴンを細分割するポリゴン細分割手段と、前記ポリゴンの内部に現れるポリゴン頂点に対して細分割の処理で現れたポリゴン頂点の順番に高い前記頂点処理優先度を設定する頂点処理優先度決定手段とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の画像生成方法。

請求項8

3次元コンピュータグラフィックス画像を描画する方法であって、描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択手段と、前記光源計算式選択手段で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理手段とを備えることを特徴とする画像生成方法を情報処理装置で実行させるためのプログラム

請求項9

3次元コンピュータグラフィックス画像を描画する装置であって、描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択部と、前記光源計算式選択部で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理部とを備えることを特徴とする画像生成装置

請求項10

3次元コンピュータグラフィックス画像を描画する装置の集積回路であって、描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択部と、前記光源計算式選択部で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理部とを備えることを特徴とする集積回路。

技術分野

0001

本発明は、コンピュータグラフィックス技術に関し、3次元コンピュータグラフィックス画像を生成する画像生成方法および画像生成装置に関するものである。

背景技術

0002

コンピュータの内部で表現された3次元空間上の描画対象オブジェクトディスプレイに表示するためには、描画対象オブジェクトに対して光源処理を行い、2次元平面(スクリーン画面)上に投影する必要がある。通常、光源処理はすべての描画対象オブジェクトに対して一様に行うため、描画対象オブジェクトや描画対象オブジェクトのモデルに含まれるポリゴン数が多くなった場合、光源処理に対する計算負荷が非常に大きくなってしまうという問題があった。

0003

この問題に対し、従来からよく用いられる計算負荷を軽減する方法として、下記非特許文献1に記載されたLOD(Level Of Detail)が知られている。LODは、視点からの距離が遠い描画対象オブジェクトはスクリーン画面上に占める大きさが一般的に小さくなり荒さが目立たなくなることから、このような描画対象オブジェクトに対してはポリゴン数の少ない簡略モデルを用いることで、光源処理すべきポリゴンの数を減らし計算負荷を軽減する方法である。LODでは、あらかじめ1つの描画対象オブジェクトに対して、ポリゴン数の異なる複数のモデルを用意しておく。描画対象オブジェクトの描画処理時に視点と描画対象オブジェクトとの距離を求め、この距離に応じて実際の描画に使用するモデルを選択する。図8はLODの例を示す図である。図8の視点801と描画対象オブジェクトとの距離が近い場合は、多くの細かいポリゴンから構成された滑らかな詳細モデル802を用いる。また、視点801と描画対象オブジェクトとの距離がやや遠い場合は、比較的ポリゴン数の少ない通常モデル803を用いる。視点801と描画対象オブジェクトとの距離が遠い場合は、ポリゴン数の少ない簡略モデル804を用いる。このように描画対象オブジェクトが視点から遠ざかっていくにしたがってポリゴン数の少ないモデルに置き換えていくことで、スクリーン画面上に占める面積の小さい遠くにある描画対象オブジェクトの計算負荷を削減することができる。
明解3次元コンピュータグラフィックス(初版) 荒屋真二著 共立出版(第56頁)

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記LODによる計算負荷削減方法は、描画対象オブジェクト毎に光源処理対象となるポリゴン数を変化させることが可能であるが、同一の描画対象オブジェクト内のポリゴンに対しては一様に光源処理を行うため、上記LODによる方法のみでは近年の3次元コンピュータグラフィックス処理への要求に対して計算負荷削減効果が不十分であり、さらなる計算負荷削減方法を必要とした。

課題を解決するための手段

0005

上記の課題を解決するために、本発明では以下の手段を講じた。すなわち、3次元コンピュータグラフィックス画像を描画する方法において、描画対象オブジェクトを表すモデルに含まれるポリゴンの各頂点に設定された頂点処理優先度と前記ポリゴンの各頂点と視点との距離とで光源計算式を選択する光源計算式選択手段と、前記光源計算式選択手段で選択された光源計算式に基づいて光源計算処理を行う光源処理手段とを備えた。

発明の効果

0006

本発明によれば、前記頂点処理優先度と前記頂点と視点との距離に応じてポリゴンの各頂点の光源計算式を変化させることで、視点の近くに存在し前記頂点処理優先度が高い頂点については詳細な光源計算式を用いた光源処理を行い、視点から遠くに存在し前記頂点処理優先度が低い頂点については簡略化した光源計算式を用いた光源処理を行うことができるため、各ポリゴン頂点の光源処理による計算負荷を低減し、3次元コンピュータグラフィックス画像の生成処理高速化、フレームレートを改善させることができる。

発明を実施するための最良の形態

0007

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

0008

図1は本発明の実施の形態における画像生成装置構成例を示す図である。本実施の形態における画像生成装置は、集積回路として実現され、LSI101に含まれる、CPU102、グラフィックスエンジン103、メモリコントローラ104、ディスプレイコントローラ105、CPUバス106、メモリバス107、メモリ108から構成される。LSI101では、CPU102の指示をCPUバス106を介してグラフィックスエンジン103へ伝え、グラフィックスエンジン103では画像生成処理を行い、結果はメモリバス107、メモリコントローラ104を介してメモリ108に格納する。メモリ108に格納された処理結果は、ディスプレイコントローラ105を介してディスプレイ109へと出力される。なお、本実施の形態で説明した図1のLSI101のCPU102、グラフィックスエンジン103などの各機能ブロックは典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されても良いし、一部または全部を含むように1チップ化されても良い。また、LSI101には、AVエンジンストリーミングエンジンなど他の機能ブロックが含まれていても良い。さらに、メモリ108はLSI101内部、外部を問わず複数個搭載されていても良い。

0009

図2は本実施の形態におけるグラフィックスエンジン103の内部構成例を表す図である。グラフィックスエンジン103は、ホストインターフェース201、制御部202、ポリゴン細分割部203、頂点処理優先度決定部204、頂点座標計算部205、光源計算式選択部206、光源処理部207、セットアップ処理部208、ピクセル処理部209、メモリインターフェース210から構成される。グラフィックスエンジン103の処理はCPU102の指示をホストインターフェース201を介して受け取り、メモリ108のデータをメモリコメモリインターフェース210を介してロードし、制御部202の制御によって画像生成処理を行う。グラフィックスエンジン103で行われる画像生成処理は図3処理フローにしたがって行われる。

0010

図3の処理フローは、ポリゴン細分割フェーズ301、頂点処理優先度決定フェーズ302、頂点座標計算フェーズ303、光源計算式選択フェーズ304、光源処理フェーズ305、セットアップ処理フェーズ306、ピクセル処理フェーズ307から構成される。本実施の形態における画像生成処理は、ポリゴン細分割部203がポリゴン細分割フェーズ301、頂点処理優先度決定部204が頂点処理優先度決定フェーズ302、頂点座標計算部205が頂点座標計算フェーズ303、光源計算式選択部206が光源計算式選択フェーズ304、光源処理部207が光源処理フェーズ305、セットアップ処理部208がセットアップ処理フェーズ306、ピクセル処理部209がピクセル処理フェーズ307をそれぞれ実行し、生成画像をメモリインターフェース210を介してメモリ108に格納する。なお、グラフィックスエンジン103の構成は本実施例に記載したものに限定されるものではない。例えば、ポリゴン分割部203、頂点処理優先度決定部204は省略されても良く、また、ポリゴン細分割部203、頂点処理優先度決定部204、頂点座標計算部205、光源計算式選択部206、光源処理部207、セットアップ処理部208、ピクセル処理部209の一部の処理がCPU102やそれに類するもので実現されても良い。

0011

なお、本実施の形態では、画像生成装置を実現する集積回路をLSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSIスーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブルプロセッサーを利用しても良い。さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。以上が本実施例における画像生成装置の構成についての説明である。

0012

以下では、グラフィックスエンジン103で行われる図3の処理フローの詳細について説明する。

0013

まず、本発明を適用するために、モデルに含まれるポリゴンの各頂点に対して頂点処理優先度を設定する。頂点処理優先度は光源処理で用いる光源計算式を決定するための1つの要因となるパラメータであり、もう1つの要因である視点とポリゴン頂点間の距離にも依存するが、頂点処理優先度が高ければそのポリゴン頂点に対する光源処理では詳細な光源計算式が適用される場合が多くなり、頂点処理優先度が低ければそのポリゴン頂点に対する光源処理では簡略化した光源計算式が適用される場合が多くなる。

0014

本実施の形態では、頂点処理優先度はA(最優先)、B(優先度高)、C(優先度中)、D(優先度低)として設定するものとする。頂点処理優先度の決定方法としては、(1)画像生成処理を行う前(図3の処理フローに入る前)に、モデル作成者が設定する、(2)モデルデータの入力時に各ポリゴン頂点に自動的に付与する、(3)細分割のための情報、手段を含むポリゴンの細分割時に自動的に付与する、などが例として挙げられる。

0015

(1)の方法は、モデル作成者がモデルを作成する際に、モデルに含まれる各ポリゴン頂点に対して頂点処理優先度を属性として設定する。この場合、ポリゴン細分割フェーズ301、頂点処理優先度決定フェーズ302を省略し、頂点座標計算フェーズ303から処理を開始する。(2)の方法は、モデルに含まれる各ポリゴン頂点に対して、頂点処理優先度決定フェーズ302において頂点処理優先度を属性として設定する。頂点処理優先度決定方法としては例えば、モデルを包含する長方体バウンダリボックス)の各平面に最も近い頂点から順に高い頂点処理優先度を割り当てていくという方法などが挙げられる。この場合、ポリゴン細分割フェーズ301を省略し、頂点処理優先度決定フェーズ302から処理を開始する。(3)の方法は、ポリゴン細分割フェーズ301のポリゴンの細分割の過程で現れるポリゴン頂点に対して、頂点処理優先度決定フェーズ302において頂点処理優先度を属性として設定する。

0016

(3)の方法についての頂点処理優先度決定方法を図4を用いて説明する。(3−1)細分割前のポリゴンメッシュ401の頂点に対しては最大の頂点処理優先度(ここではA)を割り当てる。(3−2)ポリゴンを細分割し生成された新たなポリゴン(ポリゴンメッシュ402、403、404に含まれる細分割ポリゴンなど)の頂点には細分割前に存在していたポリゴン頂点よりも低い頂点処理優先度(ここではB、C、D)を割り当てる。(3−3)決められたポリゴン細分割の回数だけ(3−2)を繰り返す。なお、本実施の形態においては、頂点処理優先度をA、B、C、Dの4段階としたが、頂点処理優先度の数はこれに限定されるものではない。また、頂点処理優先度の決定方法も本実施例に記載した方法に限定されるものではない。

0017

頂点座標計算フェーズ303では、各ポリゴン頂点の座標を視点を原点とした座標系視点座標系)へと変換する。頂点座標変換は、3次元グラフィックス処理で用いられる一般的な手段により行うことができる。

0018

光源計算式選択フェーズ304では、光源処理フェーズ305で用いる光源計算式を選択する。光源計算式は、頂点処理優先度決定フェーズ302までに設定された頂点処理優先度と、頂点座標計算フェーズ303において求めた視点座標系でのポリゴン頂点座標視点座標との距離とから、光源処理フェーズ305で用いる光源計算式を決定する。光源計算式の決定方法としては、例えば頂点処理優先度とポリゴン頂点座標と視点座標との距離と、光源計算式の対応表から求める方法が考えられる。図5が対応表の一例である。本実施の形態では、図5の表を用いて光源計算式を(数3)、(数4)、(数5)から選択する。

0019

0020

0021

0022

0023

0024

ここで、(数3)は環境光を求める式(数1)と局所照明を求める式(数2)とからなる通常の光源計算式、(数4)は線形補間を用いた簡略化光源計算式、(数5)はコピーにより光源計算結果を求める簡略化光源計算式であり、頂点処理優先度とポリゴン頂点座標と視点座標との距離に応じてポリゴン頂点毎にそれぞれ光源計算式を選択する。なお、本実施例では選択されうる光源計算式は3つであったが、選択されうる光源計算式の数はこれに限定されるものではない。また、本実施例では光源計算式を図5に示した表を用いて選択したが、記載した方法に限定されるものではない。例えば、頂点処理優先度とポリゴン頂点座標と視点座標との距離とをパラメータとした計算式によって算出される値に光源計算式の候補を対応させる実現方法もありえる。また、本実施例で示した光源計算式は一例であり、他の光源計算式を用いても良い。さらに、簡略化した光源計算式についても本実施例で示したものには限らず、他の補間方法や光源計算の一部省略などを用いても良い。例えば(数1)の環境光の影響が(数2)の局所照明の影響よりもはるかに大きい場合は、簡略化した光源計算式として(数1)の計算式を用いることも考えられる。

0025

光源処理フェーズ305では、光源計算式選択フェーズ304で選択された光源計算式を用いて光源処理を実行する。図6は視点からの距離に応じた各ポリゴン頂点の光源処理方法を表す図である。図6のポリゴンメッシュでは、視点に近いときは、全てのポリゴン頂点が詳細光源計算式(数3)によって光源処理が行われるが、視点から遠ざかるにしたがって簡略化光源計算式(数4)、(数5)による光源処理が行われるポリゴン頂点が現れるようになる。図7を用いてポリゴンストリップの光源処理方法について説明する。まず、ポリゴンストリップ701(ここではストリップとしたがファンでも良い)の中で(数3)を用いて光源処理を行うポリゴン頂点V0、V3、V6にまず先に光源処理を行う。3頂点の光源処理後、その間に存在するポリゴン頂点V2、V4について(数4)による光源処理を行う。このとき、先に求めた3頂点V0、V3、V6の光源処理の結果を線形補間に用いる。また、ポリゴン頂点V1、V5については、隣接頂点(例えば頂点V1に対しては頂点V0、頂点V5に対しては頂点V4)の光源処理結果を用いて(数5)による光源処理を行う。以上のように、各ポリゴン頂点によって異なる光源計算式を用いて光源処理を行う。ここで、処理単位となるポリゴンストリップ/ファンの中に(数3)を用いて光源処理を行うべきポリゴン頂点が3つ存在しなかった場合は、本来(数4)、(数5)を用いて光源処理を行うべきポリゴン頂点についても(数3)を用いた光源処理を行うことで対応することができる。

0026

セットアップ処理フェーズ306では、光源処理が終了したポリゴンの各頂点の座標を画像表示装置の座標系へと変換し、座標およびカラー値、Z値などのパラメータからポリゴンを囲む直線の傾き、カラー値やZ値などのパラメータの変位を計算する。セットアップ処理は、3次元グラフィックス処理で用いられる一般的な手段により行うことができる。

0027

ピクセル処理フェーズ307では、ポリゴンの各頂点の座標およびカラー値、Z値などのパラメータからポリゴンを囲む直線の傾き、カラー値やZ値などのパラメータの変位から表示デバイス上の各画素の座標およびカラー値、Z値などのパラメータを補間して、画像表示装置に表示可能な生成画像を出力する。ピクセル処理は、3次元グラフィックス処理で用いられる一般的な手段により行うことができる。

0028

以上のように、光源処理フェーズ305における光源計算式を処理対象のポリゴン頂点によって変化させることで、ポリゴン頂点処理における計算負荷を軽減することができる。また、上記LODによる手法と併用することも可能であり、3次元コンピュータグラフィックス処理における計算負荷を大幅に軽減することができる。

0029

本発明の画像生成方法および画像生成装置は、グラフィックス描画機能を搭載するさまざまな電子機器、例えば、携帯電話、PDA、デジタルテレビカーナビゲーションシステム家庭用ゲーム機パーソナルコンピュータ等において用いることができる。

図面の簡単な説明

0030

本発明の実施の形態における画像生成装置構成例を表す図
本発明の実施の形態におけるグラフィックスエンジンの内部構成例を表す図
本発明の実施の形態における処理フローチャート
細分割を伴うポリゴンに対する頂点処理優先度決定方法を表す図
光源計算式の選択に用いる表を示す図
視点からの距離に応じた各ポリゴン頂点の光源処理方法を表す図
ポリゴンストリップにおける光源処理方法を説明するための図
従来のLODの例を示す図

符号の説明

0031

101グラフィックスエンジンを含むLSI
102 CPU
103 グラフィックスエンジン
104メモリコントローラ
105ディスプレイコントローラ
106CPUバス
107メモリバス
108メモリ
109ディスプレイ
201ホストインターフェース
202 制御部
203ポリゴン細分割部
204頂点処理優先度決定部
205頂点座標計算部
206光源計算式選択部
207光源処理部
208セットアップ処理部
209ピクセル処理部
210メモリインターフェース
301 ポリゴン細分割フェーズ
302 頂点処理優先度決定フェーズ
303 頂点座標計算フェーズ
304 光源計算式選択フェーズ
305 光源処理フェーズ
306 セットアップ処理フェーズ
307 ピクセル処理フェーズ
401 細分割前のポリゴンメッシュ
402 1回細分割したポリゴンメッシュ
403 2回細分割したポリゴンメッシュ
404 3回細分割したポリゴンメッシュ
601視点の近くにあるポリゴン
602 視点から少し遠くにあるポリゴン
603 視点から遠くにあるポリゴン
604 視点からかなり遠くにあるポリゴン
701ポリゴンストリップ
801 視点
802 詳細モデル
803通常モデル
804 簡略モデル

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