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技術 音源方向追従システム

出願人 井上時子
発明者 高山一男中村正孝
出願日 2015年4月7日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2015-078451
公開日 2016年12月1日 (4年5ヶ月経過) 公開番号 2016-201595
状態 特許登録済
技術分野 可聴帯域変換器の回路等 双方向TV,動画像配信等
主要キーワード 数値シミュレーション結果 理工学部 単一周波数成分 交流増幅 複合波 ゼロクロッシング CSP法 モーター回転
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(2016年12月1日)のものです。
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図面 (16)

課題

人間の音声の方向を正しく検出し、かつ、雑音反射音による誤作動を少なくする、音源方向に自動的に追従するテレビ会議システムを提供する。

解決手段

2個の無指向性マイク10A、10Bに入力される信号の正負判定を正負判定処理部12A、12Bにて行い波形MalとMblを生成し、減算部13、加算部14、積分部15、乗算部16、平均化部17を経て雑音、反射音を抑圧し、全周波数帯域一括母音子音破裂音摩擦音時間差検出を可能し、追従すべき音声より振幅が小さい、雑音、反射音を抑圧する。

概要

背景

衛星からの電波到来方向アンテナ指向性追従させるシステムは以前より実用化
されているが、電波の場合は搬送波周波数に対する変調周波数帯域幅つまり比帯域が小さいので単純な位相比較により、到来波ズレ方向が検出可能であり、位相モノパルス方式とよばれている。しかし人間の音声周波数帯域幅は200Hz〜4KHzであり比帯域は20倍程度と広いため、単純な位相比較が適用できない。

音声では比帯域が広い問題を回避し、広帯域音声到来方向検出する方法がCSP法として提案されている。この内容は非特許文献1(抜粋を図1に示す)に記載されているが、FFTフーリエ変換)により周波数帯域ごとに分解し位相差を検出した後、IFFT(逆フーリエ変換)により時間領域にもどす方式であり、CPU処理の場合でも処理量が相当大きい問題がある。なお2マイクが固定の場合は2つのマイクを結ぶ線に対し線対称検出特性となり、検出可能範囲は180°となる。

さらには、複数マイクによる指向性制御指向性を形成し,回転制御により振幅最大又は振幅最少方向を求める方式が提案されている。その内容は非特許文献2(抜粋を図2に示す)に書かれている。しかし、到来方向は360°回転後でないと求まらないのと、常に最大又は最少点を探る必要があり、応答性に問題がある。また、この方式の場合、ノイズ反射波が有る場合はその方向検出誤動作の確率が高くなる。

音響インテンシティ測定回路でも減算部、積分部、乗算部を使用する。音響インテンシティとは、単位面積を通して伝わる音響パワーであるが、定義式積分項があるので積分回路が使用されている。また、音響インテンシティ法は、2つのマイクの延長線上方向の音響パワーを測定するもので、2つのマイクの直交方向の音圧には反応しない。2次元平面の音圧、つまり方向性を有する音響パワー測定の場合は、直行配置した、3マイクを使用し、X方向Y方向の音響パワーを求め、音源方向をもとめる。また、全周波数帯域一括処理前提としておらず、複数のバンドパスフィルタで周波数帯域を分割するか、FFT(高速フーリエ変換)で周波数ごとに分解して音響パワーを求めている。その音響インテンシティ測定回路の変形に関する特許を特許文献1に示す。

テレビ会議システム話者方向カメラ、マイクを向けるシステムにおいて、音声と画像を併用するシステムが特許文献2に示されている。音声到来方向検出に関しては位相差から発言者の方向を検出するとしか記載がない。しかし、音声の場合は前述のように比帯域が20倍程度と広いため、単純な位相比較ではごく一部の成分しか利用できないため、方向検出精度は相当低い。なお位相の定義はAを振幅、ωを角周波数、tを時間とした場合 y(t)=Asin(ωt+α) となり αが位相であり、単一周波数で定義されている。

被写体自動追尾装置において、音のする方向にモーター駆動でカメラの向きを向ける方法が特許文献3に記載されている。位相差検出部でどちらの方向にカメラを向けるべきかを判定しているが、ゼロクロッシングディテクト出力の立ち上がりエッジ又は立ち下りエッジ時間差を検出する方法の場合は、単一周波数成分に近い場合は正しく動作するが、人間の音声のように、母音子音破裂音摩擦音が混在した複合波の場合は誤動作する問題がある。人間の音声に追従させるシステムとしては、複合波に対して正しく検出できることが必要である。

概要

人間の音声の方向を正しく検出し、かつ、雑音反射音による誤作動を少なくする、音源方向に自動的に追従するテレビ会議システムを提供する。2個の無指向性マイク10A、10Bに入力される信号の正負判定を正負判定処理部12A、12Bにて行い波形MalとMblを生成し、減算部13、加算部14、積分部15、乗算部16、平均化部17を経て雑音、反射音を抑圧し、全周波数帯域一括で母音、子音、破裂音、摩擦音の時間差検出を可能し、追従すべき音声より振幅が小さい、雑音、反射音を抑圧する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

少なくとも2つのマイクを含む機器システムの正面方向を回転制御により、人の発する音声音源方向に向かせるシステム機器において、2つの無指向性マイクを数cm程度に近接配置し、2つのマイク出力信号を各々増幅後の交流成分が正ならk、負なら-kに変換する正負判定処理を行った後に2つの信号を減算処置した後積分処理した、第一の信号と、各々正負判定処理した後2つの信号を加算処理した第二の信号を生成する。次に第一の信号と第二の信号を乗算することにより、2つのマイクを結ぶ直線の直行方向に対し音波到来方向がどちらの方向かを検出する信号を生成し、この方向検出信号により回転制御を行うことにより、360°の音波到来方向に対しマイクを含むシステムの向きを追従させることを特長とする。

請求項2

請求項1の構成において、マイク受音レベル閾値より低い場合は回転制御を停止し、発話が無い場合の不要な動きを防止することを特長とする。

請求項3

第1のマイク、第2のマイクを含む請求項1の回転面に対し、立体的に直交する方向に第3のマイクを配置し、第1のマイクと第3のマイクで請求項1同様の検出部、駆動部、回転機構を構成し、第1のマイクと第2のマイクで形成される回転面と直交方向の回転制御を行い、3次元方向の追従を可能とするシステム。

技術分野

0001

本発明は、テレビ会議等で話者方向カメラ視点及びマイク指向性を向けるシステムロボットが話者方向に顔を向けるシステム、聴覚障害者音源方向提示するシステム等に適用可能な、音源方向にマイクを含むシステムを向かせる機器に関する。

背景技術

0002

衛星からの電波到来方向アンテナ指向性追従させるシステムは以前より実用化
されているが、電波の場合は搬送波周波数に対する変調周波数帯域幅つまり比帯域が小さいので単純な位相比較により、到来波ズレ方向が検出可能であり、位相モノパルス方式とよばれている。しかし人間の音声周波数帯域幅は200Hz〜4KHzであり比帯域は20倍程度と広いため、単純な位相比較が適用できない。

0003

音声では比帯域が広い問題を回避し、広帯域音声到来方向検出する方法がCSP法として提案されている。この内容は非特許文献1(抜粋を図1に示す)に記載されているが、FFTフーリエ変換)により周波数帯域ごとに分解し位相差を検出した後、IFFT(逆フーリエ変換)により時間領域にもどす方式であり、CPU処理の場合でも処理量が相当大きい問題がある。なお2マイクが固定の場合は2つのマイクを結ぶ線に対し線対称検出特性となり、検出可能範囲は180°となる。

0004

さらには、複数マイクによる指向性制御指向性を形成し,回転制御により振幅最大又は振幅最少方向を求める方式が提案されている。その内容は非特許文献2(抜粋を図2に示す)に書かれている。しかし、到来方向は360°回転後でないと求まらないのと、常に最大又は最少点を探る必要があり、応答性に問題がある。また、この方式の場合、ノイズ反射波が有る場合はその方向検出誤動作の確率が高くなる。

0005

音響インテンシティ測定回路でも減算部、積分部、乗算部を使用する。音響インテンシティとは、単位面積を通して伝わる音響パワーであるが、定義式積分項があるので積分回路が使用されている。また、音響インテンシティ法は、2つのマイクの延長線上方向の音響パワーを測定するもので、2つのマイクの直交方向の音圧には反応しない。2次元平面の音圧、つまり方向性を有する音響パワー測定の場合は、直行配置した、3マイクを使用し、X方向Y方向の音響パワーを求め、音源方向をもとめる。また、全周波数帯域一括処理前提としておらず、複数のバンドパスフィルタで周波数帯域を分割するか、FFT(高速フーリエ変換)で周波数ごとに分解して音響パワーを求めている。その音響インテンシティ測定回路の変形に関する特許を特許文献1に示す。

0006

テレビ会議システムで話者方向にカメラ、マイクを向けるシステムにおいて、音声と画像を併用するシステムが特許文献2に示されている。音声到来方向検出に関しては位相差から発言者の方向を検出するとしか記載がない。しかし、音声の場合は前述のように比帯域が20倍程度と広いため、単純な位相比較ではごく一部の成分しか利用できないため、方向検出精度は相当低い。なお位相の定義はAを振幅、ωを角周波数、tを時間とした場合 y(t)=Asin(ωt+α) となり αが位相であり、単一周波数で定義されている。

0007

被写体自動追尾装置において、音のする方向にモーター駆動でカメラの向きを向ける方法が特許文献3に記載されている。位相差検出部でどちらの方向にカメラを向けるべきかを判定しているが、ゼロクロッシングディテクト出力の立ち上がりエッジ又は立ち下りエッジ時間差を検出する方法の場合は、単一周波数成分に近い場合は正しく動作するが、人間の音声のように、母音子音破裂音摩擦音が混在した複合波の場合は誤動作する問題がある。人間の音声に追従させるシステムとしては、複合波に対して正しく検出できることが必要である。

0008

名称:音響インテンシティアナライザ実用新案出願公開平1−128132 出願人日立電子株式会社
名称:テレビ会議システム及びテレビ会議システムに於けるカメラの制御装置並びにカメラ制御方法特開2001-339703 出願人:日本電気株式会社
名称:被写体自動追尾装置特開平5-150349 出願人:オリンパス光学株式会社

先行技術

0009

方向性/拡散性雑音に対する重み付けを利用した音源方向推定信学技報IEICE Technical Report EA2009 115 (20103)仲浩尚 片岡 章俊 龍谷大学理工学部情報メディア学科
信号処理から見たロボット聴覚:「音源の方向検出について」人工知能学会 JSAITechnical Report SIG-CHallege-0522-1 (10/14)金田豊 (東京電機大学工学部)

発明が解決しようとする課題

0010

テレビ会議システム、人を補助するロボット等では、マイクヘッドを含むシステムの正面方向を回転機構により、音源方向に自動的に追従せることが望まれるが、母音/子音/破裂音/摩擦音からなる複合波である人間の音声の方向を正しく検出しかつ、雑音/反射音による誤作動を少なくする必要がある。そのため処理量が相当大きくなる、機器が大きくなる、画像との併用でないと成立しない等の問題があった。したがって、少ない処理量で人間の音声に対し誤動作が少ない音源追従システム構築し、小型低コスト化を図り、利用分野を拡大する。

課題を解決するための手段

0011

少なくとも2つのマイクを含む機器システムの正面方向を回転制御により、人の発する音声の音源方向に向かせるシステム機器において、2つの無指向性マイクを数cm程度に近接配置し、2つのマイク出力信号を各々増幅後の交流成分が正ならk、負なら-kに変換する正負判定処理を行った後に2つの信号を減算処置した後積分処理した、第一の信号と、各々正負判定処理した後2つの信号を加算処理した第二の信号を生成する。次に第一の信号と第二の信号を乗算することにより、2つのマイクを結ぶ直線の直行方向に対し音波到来方向がどちらの方向かを検出する信号を生成し、この方向検出信号により回転制御を行うことにより、360°の音波到来方向に対しマイクを含むシステムの向きを追従させることが可能となる。

図3に本発明の基本構成を示す、2つの無指向性マイクを数cmの距離に配置すると、マイクに対する音源の到来角度θにより、マイクA,B間の音波到来時間に遅れ進みが生ずるこの遅れ進みを検出し音波到来方向が2つのマイクを結ぶ直性の直交方向からのズレが右か左かを検出する。
たとえば2つのマイク間距離をd音波速度をcとし、マイクAの信号到達時間を基準とするとマイクBの信号到達時間は-(d・Cosθ)/c となる。
したがってマイクAを基準としたマイクBの信号到達時間はたとえば
θ=0°の時は d/c (遅れ) θ=90°の時は 0 (一致)
θ=180°の時は +d/c (進み)
となる。この時間進み遅れを検出しマイクを含むシステムを回転制御させ、フィードバック制御により進み、遅れが0となる方向に、システムを向かせることにより音源方向追従が可能となる。

0012

到来時間差の進み遅れ検出を、広帯域周波数で一括処理で、かつ雑音等による影響を少なくする方法として、 2つのマイク出力信号を各々増幅後の交流成分が正ならk、負なら-kに変換する正負判定処理を行った後に2つの信号を減算処置した第一の信号と、各々正負判定処理した後2つの信号を加算処理した第二の信号を生成する。次に第一の信号と第二の信号と乗算することにより、2つのマイクを結ぶ線の直行方向に対し音波到来方向がどちらの方向かを検出する信号を生成することができる。

0013

正負判定処理部の構成例と動作波形例を図4に示す。入力信号が正ならk、負なら-kを出力するがその結果、k,-kからなるタイミング信号が生成される。K=1で1000Hzと3000Hzの複合波が入力された場合の正負判定処理部の動作を図5に示す。
元信号が1000Hzでレベルが0.5の信号と3000Hzでレベル0.3の信号の複合波が入力された場合は、正負判定処理により1000Hz相当のタイミング信号が生成される。また、元信号が1000Hzでレベルが0.3の信号と3000Hzでレベル0.5の信号の複合波が入力された場合は正負判定処理により3000Hz相当のタイミング信号が生成される。このように、 正負判定処理により、ほぼ振幅が大きい成分によりタイミング信号が生成されている。

発明の効果

0014

マイクを含む機器システムの正面方向を回転制御により、人の発する音声の音源方向に向かせるシステムにおいて、本発明の構成では少ない処理量でありながら、雑音、反射音に対する誤動作が少ない音源追従が可能となる。
正負判定処理の効果は、振幅が一番大きい成分によりタイミング信号が生成されることにより、雑音、反射音に対する誤動作が少なくできる。減算、積分、乗算の効果は、両マイク間時間差の進み、遅れを周波数分割処理をしない一括処理で正確な検出を可能としている。これにより、数cm間隔のマイク2個で左右360°方向、マイク3個であれば、左右上下方向と3次元方向の音源追従が可能となる。
本発明により、テレビ会議等で話者方向にカメラ視点及びマイク指向性を向けるシステム、ロボットが話者方向に顔を向けるシステム、聴覚障害者に音源方向を提示するシステム等が低コストで実現可能となる。

0015

なお、正負判定処理は複数の信号成分が合成されている場合にその瞬時の最大振幅成分のタイミング信号を生成することができるので、追従すべき音声より振幅が小さい雑音、反射音を抑圧することが可能となる。

図面の簡単な説明

0016

非特許文献1の部分複写方向性/拡散性雑音に対する重み付けを利用した音源方向推定信学技報IEICE Technical Report EA2009 115 (20103) 仲村浩尚 片岡 章俊 龍谷大学理工学部情報メディア学科
非特許文献2の部分複写信号処理から見たロボット聴覚:「音源の方向検出について」人工知能学会 JSAITechnical Report SIG-CHallege-0522-1 (10/14) 金田豊 (東京電機大学工学部)
本発明の基本構成
正負判定処理部の構成例と動作波形例
1000Hzと3000Hzの複合波が入力された場合の正負判定処理の動作
本発明の第1の実施例
積分回路の実施例(アナログの場合)
積分回路の実施例(デジタルフィルタの場合)
第一の実施例の動作時間波形
モーター駆動回路モーター動作の実施例
音源方向θに対する乗算出力Mulの変化特性
雑音がある場合の音源追従特性評価方法
雑音がある場合の音源追従特性(正負判別処理が無い場合とある場合)
本発明の実施例2の構成
本発明の実施例3の構成

0017

マイクヘッドを含むシステムが回転制御されるシステムにおいて、2個の無指向性マイクに入力される信号の時間差を検出して、マイクヘッドを含むシステムの追従すべき回転方向を決定する構成において、時間差検出手段にマイク信号出力の交流信号の正負判定処理(信号が正ならk、負なら-kに変換)を加えることにより、雑音、反射音を抑圧する処理を行った後、減算処理と積分処理と乗算処理を行い全周波数帯域一括で複合波の時間差検出を可能とした。これにより、雑音/反射音による誤作動が少なくかつ、処理量の大幅低減が図れる。

0018

なお、正負判定処理は複数の信号成分が合成されている場合にその瞬時の最大振幅成分のタイミング信号を生成することができるので、追従すべき音声より振幅が小さい、雑音、反射音を抑圧することが可能となる。

0019

図6に第1の実施例を示す。
2つのマイク10A,10B、マイク信号の交流増幅部11A,11B、正負判定処理部12A,12B、減算部13、加算部14、積分部15、乗算部16、平均化部17、モーター駆動部18、モーター部19からなる。正負判定処理部の作用効果は前述したように、その瞬時の最も振幅が最も大きい成分のタイミング信号を生成する。
積分回路の実施例として、アナログ回路の例を図7に示す、オペアンプ負帰還部にコンデンサーを接続し積分特性を得る。ここで位相が反転するので、もう1段反転器を接続して位相を元に戻している。デジタル処理の場合の例を図8に示すが、デジタルフィルタ構成であるZ-1 は1サンプル前出力値を保持している。

0020

図9にマイクA,B間信号到達時間の遅れ進み検出部の各部の時間に対する信号波形タイミングチャート)を示す(なお正負判定処理部の係数はk=1の例である)。音源として、100Hz、300Hz、1200Hz、4000Hzの複合波の場合を示す。図のセンターラインより左側の波形は音声到来方向が2つのマイクの直交方向から+20°の場合を、センターラインより右側の波形は音声到来方向がー20°の場合を示す。
マイク信号の交流増幅後正負判定処理を行った波形Mal(図6の12A出力)、Mbl(図6の12B出力)は振幅が最大である成分のタイミング信号が生成されている。これをタイミングチャートの上から2段目に示す。MalとMblを減算した後積分するとタイミングチャートの上から4段目に示すIntSub(図6の15出力)の信号となるが加算した信号Add(図6の14出力)との関係を見ると、音波到来波方向によりInSubとAddの極性が一致する到来方向(+20°)と、不一致となる到来方向(-20°)が生ずる。したがって、InSubとAddを乗算することによりタイミングチャートの最下段Mul(図6の16出力)に示すように到来方向によりプラス値マイナス値を得ることができる。このMul信号を平均化した信号で回転制御することにより、音源方向に向かせる回転制御が可能となる。なお、乗算部に入力する信号も2値化した信号であり、表1に示す真理値を実現する簡易ロジックでも実現可能である。
また、回転部の実施例を図10に示す。直流モーター印加する駆動電圧Vmがプラスの場合とマイナスの場合でモーター回転方向を反転させギヤにより減速してシステムを回転させる。

0021

前述では、時間波形で動作の説明をしたが、次にマイクA,B間信号到達時間の遅れ進み検出部の動作を数式で示す。
ここで、マイク間距離をd、音声到来角度をθ、音波速度をC、音声周波数をfとし ω=2πf K=ω/C とするとSub点の信号は振幅値は抑圧され正規化されており、音声到来角θに対する変化は近似的に下式となる。なお、なおjは複素数虚部を示す。

0022

さらに積分出力IntSubの音声到来角θに対する特性は積分時定数τiとして近似的に下式となる。

0023

kd<1 の場合は式3のように近似できる

0024

さらに、加算信号と乗算した結果のMulは音声到来角θに対し近似的に下式となる
なおここでは、乗算器については、線形として扱う。

0025

検出出力Mulをグラフ化すると図11のようになる。入力周波数は、200Hz、500Hz,1000Hz、3000Hz と可変している。
ここでd=4cmτiはd/cの値である0.00011と設定している。
検出出力Mulは音波到来角度に応じた値を出力している。音波到来角度が90°の時はMul=0となり90°以上の場合は正の値となり、90°以下の場合は負の値となる。これは200Hz〜3000Hzでも成立しており、両マイク間時間差の進み、遅れを周波数分割処理をしない一括処理で正確に検出していることを示す。このMul信号を平均化した値がプラスかマイナスかでモーターの回転方向を与え、マイクを含むシステムを回転制御すると、音波到来方向が90°方向となるようシステムを向けることができる。
制御Zero点が音波到来方向が90°、270°と2点あるが、その方向からずれた場合の応答が90°点、270°点で逆極性であり、制御方向性により負帰還による収束点はどちらか一方に決定できる。例として、Mulが正の場合はθを小さくする制御の場合は
90°点は収束するが、270°点は帰還発散点となり結果的に90°方向のみに収束する。

0026

追従特性について実機を作成し実測も行っているが、数値シミュレーション結果と実測はほぼ一致しているので、ここではシミュレション結果データで示す。
図12に希望音源とノイズ源が有る場合の評価方法を示す。初期はシステム正面が0°方向を向いており、音声相当音源が180°方向にあり、 180°方向にシステム正面が向く必要があるが、100°方向にノイズがある場合にどの方向に収束するかを評価した。
なお、雑音レベルは希望音源レベル×0.8として評価した。

0027

雑音が無い場合は正負判定処理の有無にかかわらず、制御誤差であるが、実環境では雑音及び反射波が多数存在し、制御誤差が問題となるが、正負判定処理が有ると、雑音、反射波に対する誤動作が相当小さくなる。その特性を図13に示す。
正負判定処理が無い場合は雑音があると制御誤差が30°と大きいが、正負判定処理がある本発明の構成では、制御誤差が5°と小さくすることができている。ノイズ源の代わりに反射波の場合でも同様な効果が得られる。

0028

実施例2
図14に第2の実施例を示す。
請求項1の構成に加え、マイク受音レベル閾値より低い場合は回転制御を停止し、発話が無い場合の不要な動きを防止している。
第1の実施例に加え正負判定前の信号レベルレベル検出器30で検出し、その値が閾値以上か以下かを比較器31で検出し以下の場合は回転制御を停止させる。その目的は、正負判定処理の弊害として、発話が無い場合でもわずかな雑音があれば、その雑音方向に追従しようとして不要な動きが生じるのを防止するためである。
そのため、レベル検出器を正負判定部より前(増幅部の前でも後ろでも良い)に接続し比較器を介してモーター駆動回路をOn/OFFする。
その他の構成要件は第一の実施例同様2つのマイク10A,10B、マイク信号の交流増幅部11A,11B、正負判定処理部12A,12B、減算部13、加算部14、積分部15、乗算部16、平均化部17、モーター駆動部18、モーター部19からなる。

実施例

0029

実施例3
第1のマイク、第2のマイクを含む請求項1の回転面に対し、立体的に直交する方向に第3のマイクを配置し、第1のマイクと第3のマイクで請求項1同様の検出部、駆動部、回転機構を構成し、第1のマイクと第2のマイクで形成される回転面と直交方向の回転制御を行い、3次元方向の追従を可能とするシステム。

第1の実施例ではたとえば、左右方向360°の追従は可能であるが、上下方向への追従が必要な場合には上下方向へのモータ−19Zを含む回転機構と11C,12C,13Z,14Z,15Z,16Z,17Z,18Zからなる検出制御回路を追加すれば良い、その場合は上下に配置した2つのマイクが必要であるが、その内の1つ10Aは左右方向用マイクと兼用できるので、10A,10Bに加え10Cの無指向性マイクを直角二等辺三角形頂点に配置すれば良い。また回転駆動用に19Zのモーターも追加する。その時の構成を図15に示す。左右方向検出部、左右方向回転制御部に加え上下方向検出部、上下方向回転制御部により3次元の追尾が可能となる。

0030

聴覚障碍者に音源方向と(音源内容)を指し示すシステム(聴導ロボットの要素)
テレビ会議システムで音源方向にマイク及び、カメラを向けるシステム
防犯カメラで音のする方向を撮影記録するシステム
緊急車両のサイレン方向をドライバーに示すシステム
などに利用されるシステムである。

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