車(chē)牌識(shí)別技術(shù)的工作流程與原理


    01車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)主要解決的問(wèn)題

    車(chē)牌識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)登記車(chē)輛“身份”,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種交通場(chǎng)合,對(duì)“平安城市”的建設(shè)有著至關(guān)重要的作。具體概括如下:

    ① 電子警察系統(tǒng)

    電子警察系統(tǒng)作為一種抓拍車(chē)輛違章違規(guī)行為的智能系統(tǒng),大大降低了交通管理壓力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CCD技術(shù)的發(fā)展,目前電子警察系統(tǒng)已經(jīng)是一種純視頻觸發(fā)的高清抓拍系統(tǒng),可以完成多項(xiàng)違章抓拍功能,其中包括違章闖紅燈抓拍功能、違章不按車(chē)道行駛抓拍功能、違章壓線變道抓拍功能、違章壓雙黃線抓拍功能和違章逆行抓拍功能等內(nèi)容。

    電子警察自動(dòng)抓拍違章車(chē)輛以及識(shí)別車(chē)牌號(hào)碼,將違法行為記錄在案。電子警察系統(tǒng)大大節(jié)省警力,規(guī)范城市交通秩序,緩解交通擁堵,減少交通事故。

    ② 卡口系統(tǒng)

    卡口系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控路段的機(jī)動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行全天候的圖像抓拍,自動(dòng)識(shí)別車(chē)牌號(hào)碼,通過(guò)公安專網(wǎng)與卡口系統(tǒng)控制中心的黑名單數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果相符合時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)向相關(guān)人員發(fā)出警報(bào)信號(hào)??谙到y(tǒng)記錄的圖像還可以清楚地分辨司乘人員(**)的面部特征。

    ③ 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)

    高速公路收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,當(dāng)車(chē)輛在高速公路收費(fèi)入口站時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別,保存車(chē)牌信息,當(dāng)車(chē)輛在高速公路收費(fèi)出口站時(shí),系統(tǒng)再次進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別,與進(jìn)入車(chē)輛的車(chē)牌信息進(jìn)行比對(duì),只有進(jìn)站和出站的車(chē)牌一致方可讓車(chē)輛通行,自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)可以有效地提高車(chē)輛的通行效率,并且可以有效地檢測(cè)出逃費(fèi)車(chē)輛。

    ④ 高速公路**速抓拍系統(tǒng)

    系統(tǒng)抓拍**速的車(chē)輛和識(shí)別車(chē)牌號(hào)碼,并通過(guò)公安專網(wǎng)將**速車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)碼傳達(dá)到各出口處罰點(diǎn),各出口處罰點(diǎn)用車(chē)牌識(shí)別設(shè)備對(duì)出口車(chē)輛進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別,與己經(jīng)收到的**速車(chē)輛的號(hào)碼對(duì)比,一旦號(hào)碼相同立即報(bào)警。

    ⑤ 停車(chē)場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)

    當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)時(shí),收費(fèi)系統(tǒng)抓拍車(chē)輛圖片進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別,保存車(chē)輛信息和進(jìn)入時(shí)間,并語(yǔ)音播報(bào)空閑車(chē)位,當(dāng)車(chē)輛離 停車(chē)場(chǎng)時(shí),收費(fèi)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出該車(chē)的車(chē)牌號(hào)碼和保存車(chē)輛離 的時(shí)間,并在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找該車(chē)的進(jìn)入時(shí)間,計(jì)算出該車(chē)的停車(chē)費(fèi)周,車(chē)主交完費(fèi)用后,收費(fèi)系統(tǒng)自動(dòng)放行。停車(chē)場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理,節(jié)約人力,而且還保證了車(chē)輛停放的安全性。

    ⑥ 公交車(chē)報(bào)站系統(tǒng)

    當(dāng)公交車(chē)進(jìn)入和離開(kāi)公交站臺(tái)時(shí),報(bào)站系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別,然后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的車(chē)牌進(jìn)行比對(duì),語(yǔ)音報(bào)讀車(chē)牌結(jié)果和公交線路。綜上所述,車(chē)牌識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用使道路安全、交通通暢、車(chē)輛安全、環(huán)境保護(hù)得到了全面的**。

    02車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)的基本工作原理及流程

    車(chē)牌識(shí)別就是依次實(shí)現(xiàn)汽車(chē)圖像的車(chē)牌定位、車(chē)牌字符分割、車(chē)牌字符識(shí)別算法的過(guò)程。車(chē)牌定位就是把車(chē)牌圖像從含有汽車(chē)和背景的圖像中提取出來(lái),其輸入的是原始的汽車(chē)圖像,輸出是車(chē)牌圖像。

    車(chē)牌的字符分割就是通過(guò)對(duì)車(chē)牌圖像的預(yù)處理、幾何校正等把字符從車(chē)牌圖像中分割出來(lái),分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的字符,其輸入是車(chē)牌定位后得到的車(chē)牌圖像,輸出是經(jīng)過(guò)預(yù)處理、幾何校正等后得到的一組單個(gè)的字符圖像,并得到各個(gè)字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。字符識(shí)別是依次從單個(gè)字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)中提取字符特征數(shù)據(jù),并給出識(shí)別結(jié)果。

    車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)采用高度模塊化的設(shè)計(jì),將車(chē)牌識(shí)別過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)各自作為一個(gè)獨(dú)立的模塊。

    ① 車(chē)輛檢測(cè)跟蹤模塊

    車(chē)輛檢測(cè)跟蹤模塊主要對(duì)視頻流進(jìn)行分析,判斷其中車(chē)輛的位置,對(duì)圖像中的車(chē)輛進(jìn)行跟蹤,并在車(chē)輛位置較佳時(shí)刻,記錄該車(chē)輛的特寫(xiě)圖片,由于加入了跟蹤模塊,系統(tǒng)能夠很好地克服各種外界的干擾,使得到較加合理的識(shí)別結(jié)果,可以檢測(cè)無(wú)牌車(chē)輛并輸出結(jié)果。

    ② 車(chē)牌定位模塊

    車(chē)牌定位模塊是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié),是后續(xù)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ),其準(zhǔn)確性對(duì)整體系統(tǒng)性能的影響巨大。車(chē)牌系統(tǒng)完全摒棄了以往的算法思路,實(shí)現(xiàn)了一種完全基于學(xué)習(xí)的多種特征融合的車(chē)牌定位新算法,適用于各種復(fù)雜的背景環(huán)境和不同的攝像角度。

    ③ 車(chē)牌矯正及精定位模塊

    由于受拍攝條件的限制,圖像中的車(chē)牌總不可避免存在一定的傾斜,需要一個(gè)矯正和精定位環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)一步提高車(chē)牌圖像的質(zhì)量,為切分和識(shí)別模塊做準(zhǔn)備。使用精心設(shè)計(jì)的快速圖像處理濾波器,不僅計(jì)算快速,而且利用的是車(chē)牌的整體信息,避免了局部噪聲帶來(lái)的影響。使用該算法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是通過(guò)對(duì)多個(gè)中間結(jié)果的分析還可以對(duì)車(chē)牌進(jìn)行精定位,進(jìn)一步減少非車(chē)牌區(qū)域的影響。

    ④ 車(chē)牌切分模塊

    車(chē)牌系統(tǒng)的車(chē)牌切分模塊利用了車(chē)牌文字的灰度、顏色、邊緣分布等各種特征,能較好地抑制車(chē)牌周?chē)渌肼暤挠绊?,并能容忍一定傾斜角度的車(chē)牌。這一算法有利于類似移動(dòng)式稽查這種車(chē)牌圖像噪聲較大的應(yīng)用。

    ⑤ 車(chē)牌識(shí)別模塊

    在車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)中,通常采用多種識(shí)別模型相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別,構(gòu)建一種層次化的字符識(shí)別流程,可有效地提高字符識(shí)別的正確率。另一方面,在字符識(shí)別之前,使用計(jì)算機(jī)智能算法對(duì)字符圖像進(jìn)行前期處理,不僅可盡可能保留圖像信息,而且可提高圖像質(zhì)量,提高相似字符的可區(qū)分性,保證字符識(shí)別的可靠性。

    ⑥ 車(chē)牌識(shí)別結(jié)果決策模塊

    識(shí)別結(jié)果決策模塊,具體地說(shuō),決策模塊利用一個(gè)車(chē)牌經(jīng)過(guò)視野的過(guò)程留下的歷史記錄,對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行智能化的決策。其通過(guò)計(jì)算觀測(cè)幀數(shù)、識(shí)別結(jié)果穩(wěn)定性、軌跡穩(wěn)定性、速度穩(wěn)定性、平均可信度和相似度等度量值得到該車(chē)牌的綜合可信度評(píng)價(jià),從而決定是繼續(xù)跟蹤該車(chē)牌,還是輸出識(shí)別結(jié)果,或是拒絕該結(jié)果。這種方法綜合利用了所有幀的信息,減少了以往基于單幅圖像的識(shí)別算法所帶來(lái)的偶然性錯(cuò)誤,大大提高了系統(tǒng)的識(shí)別率和識(shí)別結(jié)果的正確性和可靠性。

    ⑦ 車(chē)牌跟蹤模塊

    車(chē)牌跟蹤模塊記錄下車(chē)輛行駛過(guò)程中每一幀中該車(chē)車(chē)牌的位置以及外觀、識(shí)別結(jié)果、可信度等各種歷史信息。由于車(chē)牌跟蹤模塊采用了具有一定容錯(cuò)能力的運(yùn)動(dòng)模型和較新模型,使得那些被短時(shí)間遮擋或瞬間模糊的車(chē)牌仍能被正確地跟蹤和預(yù)測(cè),較終只輸出一個(gè)識(shí)別結(jié)果。

    03車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及算法

    車(chē)牌定位

    車(chē)牌定位是車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ),其定位的準(zhǔn)確與否直接影響到車(chē)牌的字符分割和識(shí)別效果,是影響整個(gè)車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別率的主要因素。車(chē)牌定位,即運(yùn)用數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)對(duì)采集到的汽車(chē)圖像進(jìn)行處理,從而準(zhǔn)確地獲得圖像中的車(chē)牌區(qū)域,其輸入是原始的汽車(chē)圖像,輸出是車(chē)牌圖像。在現(xiàn)實(shí)車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)中,由于光照不均勻、背景的復(fù)雜性等原因,造成準(zhǔn)確定位出車(chē)牌的難度較大。目前,根據(jù)車(chē)牌的特征,常見(jiàn)的車(chē)牌定位方法有基于車(chē)牌顏色特征信息的定位法、基于車(chē)牌區(qū)域頻譜特征的定位法、基于分類器的車(chē)牌定位法、基于車(chē)牌邊緣特征的車(chē)牌定位法等,這些方法各有所長(zhǎng)。值得注意的是,車(chē)牌定位算法的分類并不是一的,區(qū)別算法類別的標(biāo)準(zhǔn)并不十分明確。車(chē)牌定位算法的方法多種多樣、各有所長(zhǎng),但存在著計(jì)算量大或者定位準(zhǔn)確率不高等問(wèn)題。

    車(chē)牌定位是車(chē)牌識(shí)別的關(guān)鍵步驟,為了能在復(fù)雜背景和不均勻光照條件下快速準(zhǔn)確定位車(chē)牌位置,基于改進(jìn)Isotropic Sobel邊緣檢測(cè)算子的車(chē)牌定位算法,由此來(lái)解決其存在的問(wèn)題,該算法通過(guò)改進(jìn)Isotropic Sobel邊緣檢測(cè)算子,實(shí)現(xiàn)了車(chē)牌圖像在水平、垂直以及對(duì)角線方向上的紋理特征提取,然后采用Otsu算法閾值化,再對(duì)閾值化后的二值圖像做數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算得到車(chē)牌的候選區(qū)域,最后利用車(chē)牌特征去除偽車(chē)牌。

    ① 算法流程圖:

    ② 對(duì)輸入的彩色圖像進(jìn)行灰度化處理:

    彩色圖像包含更多的信息,但是直接對(duì)彩色圖像進(jìn)行處理的話,系統(tǒng)的執(zhí)行速度將會(huì)降低,儲(chǔ)存空間也會(huì)變大。彩色圖像的灰度化是圖像處理的一種基本的方法,在模式識(shí)別領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用,合理的灰度化將對(duì)圖像信息的提取和后續(xù)處理有很大的幫助,能夠節(jié)省儲(chǔ)存空間,加快處理速度。

    邊緣檢測(cè)的方法是考察圖像的像素在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)灰度的變化情況,標(biāo)識(shí)數(shù)字圖像中亮度變化明顯的點(diǎn)。圖像的邊緣檢測(cè)能夠大幅度地減少數(shù)據(jù)量,并且剔除不相關(guān)的信息,保存圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性。在實(shí)際的圖像分割中,往往只用到一階和二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行邊緣檢測(cè),雖然,在原理上,可以用較高階的導(dǎo)數(shù),但是,因?yàn)樵肼暤挠绊?,在純粹二階導(dǎo)數(shù)操作中就會(huì)出現(xiàn)對(duì)噪聲敏感的現(xiàn)象,三階以上的導(dǎo)數(shù)信息往往失去了應(yīng)用**。此外,二階導(dǎo)數(shù)還可以說(shuō)明灰度突變的類型,在有些情況下,如灰度變化均勻的圖像,只利用一階導(dǎo)數(shù)可能找不到邊界,此時(shí)二階導(dǎo)數(shù)就能提供很有用的信息。為了減少二階導(dǎo)數(shù)對(duì)噪聲敏感,解決的辦法是先對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波,消除部分噪聲,再進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

    ③ Sobel邊緣檢測(cè)算子

    Sobel算子是根據(jù)鄰域像素與當(dāng)前像素的距離有不同的權(quán)值,強(qiáng)調(diào)中心像素的對(duì)邊鄰域像素對(duì)其的影響,而消弱4個(gè)對(duì)角近鄰像素的作用。圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)都用這兩個(gè)核做卷積,一個(gè)卷積核對(duì)圖像垂直邊緣響應(yīng)較大,而另一個(gè)則對(duì)水平邊緣響應(yīng)較大,取兩個(gè)卷積之中的較大值作為該像素點(diǎn)的輸出值。這樣使得Sobel算子對(duì)噪聲有抑制作用,因此不會(huì)出現(xiàn)很多孤立的邊緣像素點(diǎn),不過(guò)Sobel算子對(duì)邊緣的定位不是很精確,圖像的邊界寬度往往不止一個(gè)像素,不適合對(duì)邊緣定位準(zhǔn)確性要求很高的應(yīng)用。與Prewitt相似,Sobel算子也是通過(guò)像素平均來(lái)實(shí)現(xiàn)的,也有一定的抗噪能力。值得注意的是它們都不是各向同性的,所以它們檢測(cè)出來(lái)的邊緣并不是完全連通的,會(huì)有一定程度的斷開(kāi)。

    Sobel邊緣檢測(cè)還有另外一種形式,稱為Isotropic Sobel算子,該算子具有各向同性的特征,利用加權(quán)平均算子,權(quán)值反比于鄰點(diǎn)與中心點(diǎn)的距離,當(dāng)沿著不同方向檢測(cè)邊緣時(shí)梯度幅度一致, 因此它的位置加權(quán)系數(shù)較準(zhǔn)確,在檢測(cè)不同方向上的邊緣時(shí)梯度的幅度一致,但速度較一般Sobel算子要慢一些。 用于邊緣檢測(cè)的算子很多,常用的還有Laplacian邊緣檢測(cè)算子、Canny邊緣檢測(cè)算子等。

    ④ 對(duì)邊緣檢測(cè)后的灰度圖進(jìn)行二值化處理

    車(chē)牌圖像經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)之后,車(chē)牌上的字符及邊緣信息會(huì)**出來(lái),同時(shí),其他非字符和非車(chē)牌邊框的邊緣紋理特征也**了出來(lái),為了減少噪聲的影響,需要對(duì)車(chē)牌圖像進(jìn)行二值化處理,二值化是對(duì)圖像進(jìn)行閾值化的一種類型。根據(jù)閾值的選取情況,二值化的方法可分為全局閾值法、動(dòng)態(tài)閾值法和局部閾值法,我們用較大類間方差法(也稱Otsu算法)進(jìn)行閾值化,來(lái)剔除一些梯度值較小的像素,減少需要查找的車(chē)牌范圍,二值化處理后車(chē)牌圖像的像素值為0或者255。

    ⑤ 對(duì)車(chē)牌圖像進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)操作

    由于成像系統(tǒng)、傳輸介質(zhì)、記錄設(shè)備等的不完善,以及天氣情況的變化等,車(chē)牌圖像往往受到多種噪聲的污染。在經(jīng)過(guò)二值化處理的車(chē)牌圖像上,會(huì)出現(xiàn)一些與要研究的對(duì)象(即車(chē)牌區(qū)域)不相關(guān)的孤立點(diǎn)或者像素塊,擾亂圖像的研究對(duì)象,影響對(duì)車(chē)牌區(qū)域的提取、分割等操作。于是要構(gòu)造一種有效抑制噪聲的濾波器來(lái)有效的去除目標(biāo)和背景中的噪聲,同時(shí),能夠很好地保護(hù)車(chē)牌區(qū)域的形狀、大小及特定的車(chē)牌紋理特征。 圖像濾波,即在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對(duì)目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行抑制,是圖像處理中消除噪聲的不可或缺的操作,其處理的結(jié)果的好壞將直接影響到對(duì)后續(xù)圖像進(jìn)行處理和分析的有效性和可靠性。常用的濾波操作方法有很多種,如中值濾波、形態(tài)學(xué)濾波、高斯濾波、雙邊濾波等。我們?cè)谶@里介紹一下中值濾波和本文所研究系統(tǒng)采用的形態(tài)學(xué)濾波。

    車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)也是基于形態(tài)學(xué)操作的重要性質(zhì),對(duì)經(jīng)過(guò)二值化后的車(chē)牌圖像首**行閉運(yùn)算操作,使得車(chē)牌的字符區(qū)域連接起來(lái),然后對(duì)車(chē)牌圖像進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算操作,來(lái)消除車(chē)牌上的噪聲,得到明亮的車(chē)牌區(qū)域從候選區(qū)域中去除偽車(chē)牌并定位出車(chē)牌區(qū)域 通過(guò)對(duì)車(chē)牌圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算,圖像中剩下少部分的連通區(qū)域,即為車(chē)牌的候選區(qū)域,這些區(qū)域包括車(chē)牌區(qū)域和偽車(chē)牌區(qū)域,為此,需要從圖像中去除偽車(chē)牌并定位出車(chē)牌。

    首先,經(jīng)過(guò)對(duì)白色連通區(qū)域的輪廓進(jìn)行處理得到矩形邊界框,再根據(jù)我國(guó)車(chē)牌長(zhǎng)寬比的特征,即44:14,考慮到在車(chē)牌定位過(guò)程中,由于對(duì)車(chē)牌的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作會(huì)減少車(chē)牌信息以及拍攝所得到的車(chē)牌圖像中車(chē)牌的傾斜等原因,取長(zhǎng)寬閾值為2.0-6.0,這樣就剔除了長(zhǎng)寬比不符合條件的候選區(qū)域。 然后,由于對(duì)車(chē)牌圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作會(huì)減少車(chē)牌信息,所以定位出的車(chē)牌區(qū)域會(huì)有可能小于車(chē)牌的實(shí)際區(qū)域,這時(shí),我們就需要對(duì)定位出的車(chē)牌區(qū)域進(jìn)行放大,在這里,我們對(duì)車(chē)牌區(qū)域進(jìn)行放大的比例是120%,即對(duì)已經(jīng)定位出的車(chē)牌候選區(qū)域的邊界進(jìn)行擴(kuò)大。車(chē)牌由七個(gè)字符組成,在對(duì)候選區(qū)域?qū)?yīng)的灰度化圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)二值化之后,正常情況下,車(chē)牌水平投影區(qū)域內(nèi)每行的邊緣點(diǎn)數(shù)要大于14,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,我們?nèi)?5。在車(chē)牌水平投影區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較大的波峰,該波峰認(rèn)為是車(chē)牌的上下邊界,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,要求波峰的始點(diǎn)和終點(diǎn)之差大于20小于120,從而得到車(chē)牌的上下邊界。最后,根據(jù)二值化車(chē)牌圖像中車(chē)牌的紋理特征信息,即在車(chē)牌區(qū)域范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯的梯度變化特征,來(lái)確定車(chē)牌區(qū)域,較終定位出車(chē)牌。在二值化圖像中,255代表車(chē)牌圖像中的邊緣信息,0代表非邊緣信息。為了較加精確的定位出車(chē)牌和剔除偽車(chē)牌,需要對(duì)定位出的車(chē)牌區(qū)域進(jìn)行篩選,有兩個(gè)篩選條件,一個(gè)是在二值化圖像中灰度值為255和灰度值為0的像素比大于0.25,另一個(gè)是二值化圖像中灰度的跳變次數(shù)范圍是[5,30]。

    通過(guò)對(duì)車(chē)牌圖像的灰度處理、邊緣檢測(cè)、二值化、圖像形態(tài)學(xué)操作定位出車(chē)牌的候選區(qū)域,接著利用車(chē)牌的特征,如長(zhǎng)寬比、像素比等,從候選區(qū)域中定位出車(chē)牌



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  • 詞條

    詞條說(shuō)明

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  • 快速門(mén)的定義

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