資料介紹
項(xiàng)目背景及可行性分析
本項(xiàng)目名稱是:基于FPGA的指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容為:本模塊采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片,通過富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對(duì)指紋圖象進(jìn)行提取,然后對(duì)提取的指紋圖像進(jìn)行灰度濾波、圖像增強(qiáng)、二值化、二值去噪、細(xì)化等預(yù)處理,得到清晰的指紋圖象,再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點(diǎn),存入外部FLASH作為建檔模板。指紋比對(duì)時(shí),采用同樣的方法獲得清晰的指紋圖像,建立比對(duì)模板,然后將比對(duì)模板與建檔模板利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對(duì),得出比對(duì)結(jié)果。該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理,利用硬件實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別,保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。該識(shí)別模塊可用于門禁、考勤、安檢、保險(xiǎn)箱柜等很多方面,也可和計(jì)算機(jī)等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用,滿足各個(gè)方面的不同需求,因此它的設(shè)計(jì)具有很廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。
項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述;
2.1項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)
2.1.1 指紋圖像的采集
本模塊利用美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對(duì)指紋圖像進(jìn)行提取和保存。這款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 技術(shù),含有8 位A/D 變換器,能在2.8 V~5 V 的寬電壓范圍內(nèi)工作,能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器,并實(shí)現(xiàn)在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸(13.3×3.6mm2)。然后XC3S500E利用其SPI端口通過讀寫MFS300內(nèi)部的寄存器,實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制,以完成指紋采集的任務(wù)。
2.1.2 指紋圖像的預(yù)處理
圖像預(yù)處理的主要步驟包括:方向圖計(jì)算、圖像增強(qiáng)、二值化、二值去噪、細(xì)化等。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量,以提高特征提取的準(zhǔn)確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線斷裂或脊線模糊等問題,需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)(使用濾波技術(shù))以改善質(zhì)量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結(jié)構(gòu)中,所以,通過二值化和細(xì)化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細(xì)脊線,以便于特征提取。
2.1.3 指紋圖像的特征提取與比對(duì)
系統(tǒng)通過細(xì)節(jié)特征提取算法對(duì)預(yù)處理后的指紋圖像進(jìn)行全局特征和細(xì)節(jié)特征的提取,將獲得指紋圖像特征參數(shù)存入外設(shè)FLASH中,建立指紋數(shù)據(jù)庫。在識(shí)別模式時(shí),系統(tǒng)用同樣的方式提取指紋圖像特征參數(shù),存入擴(kuò)展SRAM中,然后將外設(shè)FLASH和擴(kuò)展SRAM中的數(shù)據(jù)利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對(duì),最終將比對(duì)結(jié)果輸出。
2.1.4 系統(tǒng)整體需要考慮的問題
有效的指紋辨識(shí)系統(tǒng)不僅僅依賴于辨識(shí)算法,還需要考慮很多其他方面的問題,它包括注冊(cè)和辨識(shí)過程、排斥欺騙和安全考慮等。我們必須對(duì)這些問題提出應(yīng)對(duì)辦法,才能實(shí)現(xiàn)有效的辨識(shí)。
2.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)
縱覽全球諸多指紋識(shí)別事件:出入關(guān)按指紋、開門按指紋、領(lǐng)社保按指紋、上班考勤按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、超市購物按指紋付款、洗衣服按指紋進(jìn)行分工、打手機(jī)按指紋、上電腦按指紋等等新現(xiàn)象層出不窮,指紋識(shí)別已經(jīng)與人們的生活休戚相關(guān)。指紋化產(chǎn)品呈現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景和巨大的利潤空間。
由于此開發(fā)板具有VGA、RS232、鍵盤/鼠標(biāo)等接口,可以很方便的在很多產(chǎn)品得到應(yīng)用,使產(chǎn)品具有指紋識(shí)別的功能。例如,它可以與指紋保險(xiǎn)箱(柜)、指紋門鎖、IC卡系統(tǒng)、汽車啟動(dòng)系統(tǒng)連接使用,也可以統(tǒng)購RS232和計(jì)算機(jī)等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用。同時(shí),目前的指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)大都采用DSP或者ARM來實(shí)現(xiàn),這樣的嵌入式系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化集成化,更無法SOC,使得指紋識(shí)別在小型化便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用得到局限,而本模塊以FPGA作為核心控制系統(tǒng),由于FPGA具有高度集成、低功耗、短開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn),所以如果本模塊設(shè)計(jì)成功,可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別模塊的小型化、集成化和SOC,使得指紋識(shí)別可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域,為人們的生活帶來更多的便利和安全,同時(shí)也具有更廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景和更大的利潤空間。
技術(shù)成熟性和可靠性論述
本模塊采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片,這款芯片采用90ns的先進(jìn)工藝,最大容量50萬門,足以滿足設(shè)計(jì)的要求。美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 技術(shù),含有8 位A/D 變換器,能在2.8 V~5 V 的寬電壓范圍內(nèi)工作,能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器,并實(shí)現(xiàn)在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸(13.3×3.6mm2)。系統(tǒng)利用XC3S500E的SPI端口和MPS300進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使得傳輸更方便,傳輸速度更快、抗干擾能力更強(qiáng)。再加上該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理,利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法,保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。而識(shí)別算法我們采用美國FBI推薦的特征點(diǎn)匹配算法來實(shí)現(xiàn)指紋的識(shí)別,更保證了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
項(xiàng)目實(shí)施方案
1.方案基本功能框圖及描述
用框圖的方式并加以簡單的描述簡述實(shí)施本項(xiàng)目的技術(shù)方案。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片,通過MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器進(jìn)行指紋圖象的采集,自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過SPI端口傳送給FPGA核心控制單元,以進(jìn)行指紋登記或指紋對(duì)比。內(nèi)擴(kuò)展的SRAM和Flash 分別用作存儲(chǔ)指紋程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)和指紋數(shù)據(jù)信息。PROM在上電時(shí)對(duì)FPGA 進(jìn)行程序配置。鍵盤用于實(shí)現(xiàn)模塊模式的切換和模塊密碼設(shè)置等功能。RS23接口可以與計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作,方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。該系統(tǒng)利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理,利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法,保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。
2.需要的開發(fā)平臺(tái)
實(shí)現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口
所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺(tái),簡述為什么需要此平臺(tái)
是否需要其它配套的開發(fā)工具
需要的硬件開發(fā)平臺(tái)是:初級(jí)板Spartan-3E
以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制系統(tǒng),利用其SPI端口訪問MFS300傳感器的寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù),在其內(nèi)部嵌入DSP軟核,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的預(yù)處理、特征參數(shù)的提取和匹配,利用其外設(shè)FLASH存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)信息,建立指紋數(shù)據(jù)庫;通過LCD顯示模塊建立人機(jī)交互界面等。
需要的軟件開發(fā)平臺(tái)是:Xilinx ISE 9.1i、Matlab等;
利用Xilinx ISE 9.1i完成對(duì)FPGA的控制,利用Matlab實(shí)現(xiàn)濾波器的仿真,算法的研究,軟核的制作等。
3.方案實(shí)施過程中需要開發(fā)的模塊
在本方案中需要研制、開發(fā)的功能主要模塊,以及開發(fā)的方式
?
需要具體開發(fā)的模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、原始圖像的預(yù)處理模塊、算法識(shí)別驗(yàn)證模塊(通過Matlab實(shí)現(xiàn)Dsp算法,作為軟核嵌入FPGA)、鍵盤操作模塊、LCD顯示模塊等。
?
4.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)?
論述本項(xiàng)目最終完成時(shí)所設(shè)想達(dá)到的目標(biāo)。
能準(zhǔn)確有效地完成指紋特征參數(shù)的提取和指紋的辨識(shí)驗(yàn)證。
?
需要的其它資源
1.設(shè)計(jì)輸入輸出功能子板
子板功能描述、接口說明、時(shí)間、方式
需要美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器一個(gè)
按鍵16個(gè)
LCD一塊
?
2.測(cè)試設(shè)備
列出在方案實(shí)施過程中所需要的測(cè)試設(shè)備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)
需要的測(cè)試設(shè)備有萬用表、示波器、邏輯分析儀、電源等。
?
3.方針、開發(fā)工具
列出在方案實(shí)施過程中所需要的仿真、開發(fā)工具等。
仿真工具用Modelsim,開發(fā)工具包括Ise、Matlab等
?
?
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本項(xiàng)目名稱是:基于FPGA的指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容為:本模塊采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片,通過富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對(duì)指紋圖象進(jìn)行提取,然后對(duì)提取的指紋圖像進(jìn)行灰度濾波、圖像增強(qiáng)、二值化、二值去噪、細(xì)化等預(yù)處理,得到清晰的指紋圖象,再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點(diǎn),存入外部FLASH作為建檔模板。指紋比對(duì)時(shí),采用同樣的方法獲得清晰的指紋圖像,建立比對(duì)模板,然后將比對(duì)模板與建檔模板利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對(duì),得出比對(duì)結(jié)果。該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理,利用硬件實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別,保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。該識(shí)別模塊可用于門禁、考勤、安檢、保險(xiǎn)箱柜等很多方面,也可和計(jì)算機(jī)等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用,滿足各個(gè)方面的不同需求,因此它的設(shè)計(jì)具有很廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。
項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述;
2.1項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)
2.1.1 指紋圖像的采集
本模塊利用美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對(duì)指紋圖像進(jìn)行提取和保存。這款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 技術(shù),含有8 位A/D 變換器,能在2.8 V~5 V 的寬電壓范圍內(nèi)工作,能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器,并實(shí)現(xiàn)在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸(13.3×3.6mm2)。然后XC3S500E利用其SPI端口通過讀寫MFS300內(nèi)部的寄存器,實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制,以完成指紋采集的任務(wù)。
2.1.2 指紋圖像的預(yù)處理
圖像預(yù)處理的主要步驟包括:方向圖計(jì)算、圖像增強(qiáng)、二值化、二值去噪、細(xì)化等。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量,以提高特征提取的準(zhǔn)確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線斷裂或脊線模糊等問題,需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)(使用濾波技術(shù))以改善質(zhì)量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結(jié)構(gòu)中,所以,通過二值化和細(xì)化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細(xì)脊線,以便于特征提取。
2.1.3 指紋圖像的特征提取與比對(duì)
系統(tǒng)通過細(xì)節(jié)特征提取算法對(duì)預(yù)處理后的指紋圖像進(jìn)行全局特征和細(xì)節(jié)特征的提取,將獲得指紋圖像特征參數(shù)存入外設(shè)FLASH中,建立指紋數(shù)據(jù)庫。在識(shí)別模式時(shí),系統(tǒng)用同樣的方式提取指紋圖像特征參數(shù),存入擴(kuò)展SRAM中,然后將外設(shè)FLASH和擴(kuò)展SRAM中的數(shù)據(jù)利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對(duì),最終將比對(duì)結(jié)果輸出。
2.1.4 系統(tǒng)整體需要考慮的問題
有效的指紋辨識(shí)系統(tǒng)不僅僅依賴于辨識(shí)算法,還需要考慮很多其他方面的問題,它包括注冊(cè)和辨識(shí)過程、排斥欺騙和安全考慮等。我們必須對(duì)這些問題提出應(yīng)對(duì)辦法,才能實(shí)現(xiàn)有效的辨識(shí)。
2.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)
縱覽全球諸多指紋識(shí)別事件:出入關(guān)按指紋、開門按指紋、領(lǐng)社保按指紋、上班考勤按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、超市購物按指紋付款、洗衣服按指紋進(jìn)行分工、打手機(jī)按指紋、上電腦按指紋等等新現(xiàn)象層出不窮,指紋識(shí)別已經(jīng)與人們的生活休戚相關(guān)。指紋化產(chǎn)品呈現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景和巨大的利潤空間。
由于此開發(fā)板具有VGA、RS232、鍵盤/鼠標(biāo)等接口,可以很方便的在很多產(chǎn)品得到應(yīng)用,使產(chǎn)品具有指紋識(shí)別的功能。例如,它可以與指紋保險(xiǎn)箱(柜)、指紋門鎖、IC卡系統(tǒng)、汽車啟動(dòng)系統(tǒng)連接使用,也可以統(tǒng)購RS232和計(jì)算機(jī)等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用。同時(shí),目前的指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)大都采用DSP或者ARM來實(shí)現(xiàn),這樣的嵌入式系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化集成化,更無法SOC,使得指紋識(shí)別在小型化便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用得到局限,而本模塊以FPGA作為核心控制系統(tǒng),由于FPGA具有高度集成、低功耗、短開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn),所以如果本模塊設(shè)計(jì)成功,可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別模塊的小型化、集成化和SOC,使得指紋識(shí)別可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域,為人們的生活帶來更多的便利和安全,同時(shí)也具有更廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景和更大的利潤空間。
技術(shù)成熟性和可靠性論述
本模塊采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片,這款芯片采用90ns的先進(jìn)工藝,最大容量50萬門,足以滿足設(shè)計(jì)的要求。美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 技術(shù),含有8 位A/D 變換器,能在2.8 V~5 V 的寬電壓范圍內(nèi)工作,能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器,并實(shí)現(xiàn)在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸(13.3×3.6mm2)。系統(tǒng)利用XC3S500E的SPI端口和MPS300進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使得傳輸更方便,傳輸速度更快、抗干擾能力更強(qiáng)。再加上該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理,利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法,保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。而識(shí)別算法我們采用美國FBI推薦的特征點(diǎn)匹配算法來實(shí)現(xiàn)指紋的識(shí)別,更保證了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
項(xiàng)目實(shí)施方案
1.方案基本功能框圖及描述
用框圖的方式并加以簡單的描述簡述實(shí)施本項(xiàng)目的技術(shù)方案。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片,通過MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器進(jìn)行指紋圖象的采集,自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過SPI端口傳送給FPGA核心控制單元,以進(jìn)行指紋登記或指紋對(duì)比。內(nèi)擴(kuò)展的SRAM和Flash 分別用作存儲(chǔ)指紋程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)和指紋數(shù)據(jù)信息。PROM在上電時(shí)對(duì)FPGA 進(jìn)行程序配置。鍵盤用于實(shí)現(xiàn)模塊模式的切換和模塊密碼設(shè)置等功能。RS23接口可以與計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作,方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。該系統(tǒng)利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理,利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法,保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。
2.需要的開發(fā)平臺(tái)
實(shí)現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口
所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺(tái),簡述為什么需要此平臺(tái)
是否需要其它配套的開發(fā)工具
需要的硬件開發(fā)平臺(tái)是:初級(jí)板Spartan-3E
以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制系統(tǒng),利用其SPI端口訪問MFS300傳感器的寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù),在其內(nèi)部嵌入DSP軟核,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的預(yù)處理、特征參數(shù)的提取和匹配,利用其外設(shè)FLASH存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)信息,建立指紋數(shù)據(jù)庫;通過LCD顯示模塊建立人機(jī)交互界面等。
需要的軟件開發(fā)平臺(tái)是:Xilinx ISE 9.1i、Matlab等;
利用Xilinx ISE 9.1i完成對(duì)FPGA的控制,利用Matlab實(shí)現(xiàn)濾波器的仿真,算法的研究,軟核的制作等。
3.方案實(shí)施過程中需要開發(fā)的模塊
在本方案中需要研制、開發(fā)的功能主要模塊,以及開發(fā)的方式
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需要具體開發(fā)的模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、原始圖像的預(yù)處理模塊、算法識(shí)別驗(yàn)證模塊(通過Matlab實(shí)現(xiàn)Dsp算法,作為軟核嵌入FPGA)、鍵盤操作模塊、LCD顯示模塊等。
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4.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)?
論述本項(xiàng)目最終完成時(shí)所設(shè)想達(dá)到的目標(biāo)。
能準(zhǔn)確有效地完成指紋特征參數(shù)的提取和指紋的辨識(shí)驗(yàn)證。
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需要的其它資源
1.設(shè)計(jì)輸入輸出功能子板
子板功能描述、接口說明、時(shí)間、方式
需要美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器一個(gè)
按鍵16個(gè)
LCD一塊
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2.測(cè)試設(shè)備
列出在方案實(shí)施過程中所需要的測(cè)試設(shè)備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)
需要的測(cè)試設(shè)備有萬用表、示波器、邏輯分析儀、電源等。
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3.方針、開發(fā)工具
列出在方案實(shí)施過程中所需要的仿真、開發(fā)工具等。
仿真工具用Modelsim,開發(fā)工具包括Ise、Matlab等
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