AR眼镜在应急救援中的应用.pdf

2023年第51卷第5期DOI：10.1358 8/ki.g.e.2096-7608.2023.05.0071玻璃搪瓷与眼镜GLASS ENAMEL&OPHTHALMIC OPTICS JAR眼镜在应急救援中的应用陆晓东1,邹丽萍彳(1.上海健康医学院，上海201318;2.上海健康医学院附属卫生学校，上海200237)摘要:AR眼镜可以在应急救援中帮助救援人员更快、更准确地掌握事故现场的情况，辅助救援行动。分析 了 AR眼镜在应急救援中的作用、应用场景、效果和面临的问题与挑战，讨论了 AR技术在应急救援中的发 展方向。AR眼镜有望成为应急救援的重要工具，帮助救援人员更好地应对各种紧急情况。关键词：增强现实;AR眼镜;应急救援;应急救援装备中图分类号：TS959.6；TP391.9 文献标志码：B 文章编号：2096-7608(2023)05-0027-06Research on the Application of AR Glasses in Emergency RescueLU Xiaodong1,ZOU Liping2(1.Sha ngha i Univer sit y of Medicine Hea lt h&Sciences Sha ngha i 201318,China;2.Hea lt h School a t t a ched t o Sha ngha i Univer sit y of Medicine&Hea lt h Sciences,Sha ngha i 200237,China)Abstract:In emer gency r escue,AR gla sses ca n help r escuer s get a fa st er a nd mor e a ccur a t e pict ur e of t he a ccident scene so t ha t t hey ca n ca r r y out r escue bet t er.This pa per a na lyses t he r ole of AR gla sses in emer gency r escue,including it s a pplica t ion scena r ios,effect s,pr oblems a nd cha llenges fa ced9 a nd discusses t he development dir ect ion of AR t echnology in emer gency r escue.Wit h t he cont inuous a dva ncement of t echnology,AR gla sses a r e expect ed t o become a n impor t a nt t ool for emer gency r escue,helping r escuer s t o bet t er r espond t o va r ious emer genciesKey words:a ugment ed r ea lit y;AR gla sses;emer gency r escue;emer gency r escue eq uipment随着科技的不断进步和发展，新兴技术不断涌现，电子设备也向着高密度、高集成、多功能一体化的方向 快速发展,其中增强现实(Augment ed Rea lit y,AR)技术的应用越来越广泛。AR眼镜可以将虚拟信息与现 实场景融合在一起，提升人类的视野和认知水平。救援对救援装备性能要求较高，特别是在有限空间或复杂 环境条件下进行应急救援时，恶劣而浑浊的空气、噪音、振动环境等都会干扰救援工作人员的判断，从而影响 救援效率和结果口。AR技术可以在应急救援领域发挥独特的优势，如快速定位、实时监测和智能分析等,为救援人员提供更加高效的工具和支持，是一种极具前途的技术。收稿日期：2023-03-25;收到修改稿日期：2023-04-14 基金项目：上海健康医学院师资人才百人库项目(A1-2601-23-311007)作者简介：陆晓东(1985)，男.E-ma il:luxia odongl59 28 玻璃搪瓷与眼镜2023年5月1 AR眼镜的技术原理和应用特点ar技术是指将计算机生成的虚拟物体或信息叠加到真实环境中，从而使体验者达到超越现实的感官 体验。真实的环境和虚拟的信息被实时叠加到同一个画面或空间中并存，体验者既能看到真实世界，又能通 过设备与虚拟世界互动図o增强现实拥有手势识别、语音控制、触摸控制、注视追踪等人机交互方式，并且给 用户带来颠覆式的场景体验，具备成为下一代智能计算与显示平台的突出潜力。随着我国经济的持续增长，灾害事故的多发性和应急救援任务的艰巨性日益突显，各种灾害事故呈现出 突发性、多发性、连锁性、扩展性、复杂性和不可预见性的特点，处置难度越来越大，由于人类感受的大量信息 来源于视觉，因此应急救援行动中视觉信息的及时传递非常重要。应急救援一般是指针对突发事件或具有破坏力的灾害事故而采取的预防、组织、响应和恢复的相关活动 与计划，目的是防止并控制突发事件或灾害事故的发生和扩大，通过开展救援减少损失，迅速组织恢复正常 状态，根据紧急事件类型的不同，分为消防、交通、卫生、地震、企业和家庭等领域。应急救援装备作为救援队伍参与救援工作的主要工具,是成功、高效完成各项综合救援任务的关键因 素,也是救援人员在执行紧急救援任务时保障自身安全的最后一道屏障。近年来，对于应急救援的概念发 生了明显变化，智能控制、无人机集群、多维感知融合等颠覆性技术成为了智能化应急救援新的发展结合点，应急救援装备的智能化趋势显著O1.1 AR眼镜的基本功能AR眼镜的技术是在综合运用立体显示和传感器、动态环境建模、实时三维图形生成、系统开发工具应 用、系统集成等关键技术的基础上，以高度仿真方式给用户创造的一个三维虚拟世界,具有多感知性、存在 感、交互性、自主性等重要特点。AR眼镜的基本功能包括:增强现实场景，将虚拟图像或视频叠加在真实 环境中，让用户可以看到增强后的场景;将信息直接显示在用户的视野中，例如电子邮件、短信、社交媒体消 息等;提供用户的位置和方向信息，并提供实时路径规划和导航;将游戏场景与现实场景相融合，让用户更深 入地参与到游戏中;将实际场景中的物体进行3D建模，并进行实时渲染，让用户可以更全面地观察物体;用 于远程协作,让用户可以与他人分享视角，实现远程协作或培训。总之,AR眼镜的基本功能是将虚拟世界 与现实世界融合,提供更加丰富、智能和交互性强的应用和服务。1.2 AR眼镜的发展现状AR技术是在虚拟现实(Vir t ua l Rea lit y,VR)技术基础上发展起来的，是真实世界和虚拟世界的信息集 成。用户可借助头戴式立体显示器(Hea d Mount ed Displa y,HMD)、数据套件等辅助传感设备，参与仿真 对象所处环境，探索环境的变化，产生沉浸感和带入感。AR技术通过将计算机生成的虚拟场景叠加到真 实场景中，真实世界与电脑图形多重合成产生一种更为逼真的视、听、力、触、动等感觉的虚拟环境，具有虚实 结合、实时交互的特点。近年来，该技术的研究应用已扩展到工业制造、军事训练、机器人、数据可视化、医 疗、娱乐、教育等领域，并展现出良好的应用前景词o主流民用AR眼镜产品的主要参数和参考价格如表1 所示。表1主流民用AR眼镜产品的主要参数和参考价格品牌名称产品名称屏幕分辨率视野角度/()附带的主计算机传感器参考价格Micr osoftHoloLens 22 048X1 08052Sna pdr a gon 850IMU、ToF、深度摄像头$3 500Ma gic Lea pMa gic Lea p One1 280X96045Nvidia Pa r ker6 DoF头部追踪、手部追踪$2 995VuzixBla de640X36040Sna pdr a gon 435IMU、头部追踪$799Met aMet a 22 560X1 44090Int el Cor e i5IMU、RGE、深度摄像头$2 295EpsonMover io BT-300720 p23Int el At om6 DoF头部追踪、手势追踪$6991.3 AR眼镜在应急救援中的应用目前,AR眼镜在应急救援领域的应用处于起步阶段，但还是取得了一定的进展。例如在火灾救援方第51卷第5期玻璃搪瓷与眼镜29面,AR眼镜可以用于实时图像传输和分析，帮助救援人员快速评估火势和烟雾情况，找到最佳救援路线和 逃生通道。德国Held等口口设计的Helon 360顶部安装有360热成像摄像机，指挥中心能够获得火灾现场 的实时图像和数据，中心可以帮助消防员评估情况,消防员能够通过头盔的显示仪看到画面增强后的图像、指挥中心的建议和警告信息。此外，Helon 360还集成了多个传感器，用来收集氧气水平、心率等关键信 負o在地震救援方面,AR眼镜可以用于实时导航和路径规划，帮助救援人员快速到达灾区，并通过AR技 术指引救援人员查找被困人员的位置。例如微软研发的HoloLens 2可以使用GPS定位和深度传感器技术 进行空间感知和图像识别,使用手势和语音控制，通过显示导航指示和路线图来为用户提供方向引导。另外,AR眼镜还可以用于人员定位和救援指挥，帮助指挥中心实时掌握救援现场情况,调度救援人员 和物资。例如美国公司Vuzix生产的M4000增强现实眼镜，被广泛应用于应急救援、物流和制造等领域。在应急救援领域,Vuzix M4000可以为救援人员提供实时指导和反馈。救援人员可以通过眼镜显示实时的 地图、图像和视频，了解任务的现场情况。指挥员可以通过眼镜查看救援人员的位置、任务和报告,对救援行 动进行实时的调度和指挥。AR眼镜在应急救援中已经有初步应用，但也面临一些技术和实际问题的限制。随着技术的不断发展 和完善,AR眼镜在应急救援领域的应用前景依旧非常广阔。2 AR眼镜在应急救援中的应用场景在应急救援中，AR眼镜能够将虚拟信息与现实场景有效融合，将数字世界与物理世界结合，将虚拟信 息与现实场景进行融汇，更好地为人们提供高品质的信息，能够在应急救援中大大提高工作效率和质量，有 着广泛的应用场景。2.1事故现场的实时图像传输和分析AR眼镜在事故现场的实时图像传输和分析方面的应用场景，主要包括实时图像采集、图像分析和识 别、智能提醒和信息注释等。2.1.1实时图像采集AR眼镜用内置或外接摄像头实现实时拍摄采集事故现场的图像。通过内置计算对实时采集的初始图 像进行处理和增强,例如去除噪声、增强色彩对比度、自动对焦等提高采集信息的初始准确度。将处理后的 图像通过无线信号传输到指挥中心和其他救援人员的设备上,实现实时图像传输。通过增强现实技术，在救 援活动中及时把可视信息进行双向传递，实现指挥中心与救援人员之间的信息协同及通信功能。2.1.2 图像分析和识别AR眼镜可以对实时传输的图像进行分析和识别,例如分析火势、烟雾、气体浓度等数据,并基于算法进 行预测和预警。一些应急救援现场,例如火灾现场光影环境复杂、能见度较低，给处置工作造成了障碍。AR 眼镜不仅通过实物叠加热力图等方式帮助消防员辨别火场中真实物品的轮廓，精确地搜索目标，还能让消防 员更早发现危险,便于消防员能够迅速找到火情最严重区域进行精准处理2.1.3 智能提醒和信息注释AR眼镜还可以通过显示仪对救援人员所看到的现实场景进行智能提醒并生成信息注释，例如转化语 音指令、显示标识、注释文本等。模型识别和平面识别技术能够帮助救援人员辨认现场物品和标记,并快速 定位和评估现场情况。2.2实时导航和路径规划应急救援中常见地形复杂、建筑结构损坏、救援人员无暇熟悉地形等情况。AR设备则能够在救援人员 眼前呈现出灾害发生之前的建筑原始结构，救援人员可利用AR眼镜看到潜在幸存者位置、安全出口、三维 区域地图等大量辅助信息。30 玻璃搪瓷与眼镜2023年5月2.2.1 实时定位AR眼镜通过内置的定位传感器实时获取自己的位置信息和朝向信息，对救援人员所看到的现实场景 进行信息增强，例如显示地图、虚拟路标等信息。定位功能利用场景特征以及其他传感器数据通过预留的锚 点(Anchor)信息来识别。通过AR眼镜扫描到具有特定标识的物体或平面，这些标识可以与地图上预先存 储的位置云锚点(Cloud Anchor)相关联，从而确定位置。利用移动设备和增强现实技术进行信息共享，在真 实视野中叠加显示地图、人员位置等实时虚拟图像2.2.2 路径规划通过内置的算法和云端数据分析比对进行路径规划，根据当前救援现场的情况和救援任务的要求，为救 援人员规划最佳的路线和方案。AR眼镜可通过显示屏对救援人员人眼看到的现实场景进行增强，例如地 图引导、虚拟标识等，帮助救援人员快速找到最佳路径，并根据实际情况进行提醒和指引，提醒救援人员注意 道路障碍，指引救援人员进入搜救区域等。2.2.3 动态调整和优化通过AR技术扫描救援场所内部环境或标识，综合分析后可以给救援人员提供多种路线,在行进遇阻或 通行风险较大时，帮助救援人员根据实际情况找到备选的救援路线和逃生通道匚。通过内置的传感器和算 法对救援现场数据进行实时分析和处理，根据实际情况调整路线规划和指引。2.3助力应急救援统筹指挥恶劣的现场环境可能使救援人员受到伤害，如爆炸现场残存的易爆品的二次爆炸、火灾现场的建筑物坍 塌等都加大了救援工作的危险性，延缓了救援进度匚词。在这些救援行动中，需要更快速、更准确的决策。AR技术为应急救援的统筹指挥带来多角度的参考依据。在应急救援统筹指挥中，指挥中心需要实时了解救援现场的情况，以便更好地开展指挥救援工作。得益 于AR技术辅助定位的能力，AR眼镜不仅可以帮助救援人员更快地找到目标所在位置，还能够实时获取不 同队员的位置信息和视野画面，并从不同角度进行辅助决策。通过AR眼镜，救援人员既可以从后方指挥中 心获取建议,也可以帮助前线的指挥人员形成现场决策进行统筹调度和互相支援。此外,安装在AR眼镜上的摄像头能够提供更接近于救援第一视角的事件视频记录。应急救援事件记 录功能可通过AR技术、成像和摄像设备分别对整个救援事件进行第一视角实时转播，便于指挥中心为其提 供相关信息支持。事后,通过对整个事件的第一视角全记录(包括时间、地点、火源和行动计划等)进行后续 的事故复盘与调查。2.4基于远程协助的现场急救处理医护人员在现场急救中同样会面临着一些关键时刻，资深医生的远程指导可为现场人员提供巨大帮助。AR技术能够把全息影像、图片、视频、声音等融合在现实环境中，虚实结合地叠加真实的环境场景与拟态信 息。远程的指导医生可通过医护人员的视角看到伤者状况并可指挥整个急救过程。通过视频、音频，在医护 人员面前呈现实时绘图，在特定场景使用AR技术进行急救指导。交互式远程手术指导系统主要包括手术 现场端和远程指导端两部分口勺：手术现场端包括平板电脑、摄像头和固定架等辅助设备，用于显示术区和向 指导者提供术中影像;远程指导端包括电脑、摄像头和指示板等辅助设备，用于远程专家在术区影像上做指 导、标记等操作。影像融合后两段屏幕显示的内容一致，同时整个救助过程会被AR设备录制下来，便于伤 员的后续治疗与评估。此外,AR技术还具有提升应急医疗演练水平的潜力。在进行灾区应急医疗演练时,AR眼镜可以模拟 混乱的灾区场景,更好地推动应急医疗演练。在真实环境中提供栩栩如生的场景，学员能够通过不断试错提 升水平。3 AR眼镜在应急救援中的特点AR眼镜在应急救援中具有较强的应用潜力，通过视频信息共享的实时化、人员导航定位的精确化、救 第51卷第5期玻璃搪瓷与眼镜 31 援中意外风险的可控化、应急综合管理的集约化等，提高救援人员的效率和应急响应能力，更好地保护人民 生命财产安全。3.1图像信息共享的实时化AR眼镜实时传递现场图像和信息给远程指挥中心或其他救援人员，提供第一视角的高质量、高清晰度 的图像和信息，使得救援人员能够更好地理解现场状态。同时，这些视频资料以第一视角通过“所见即所得”的方式直观表现，无需前方救援人员放下手中的工作。通过AR眼镜实时的视频通讯和统筹指挥，在现场指 挥员和救援人员之间建立高质量的联系。此外，当伤员移动不便且处于医疗人员不易到达的位置时,前方救 援人员通过提供现场视频和图像,可以在医生远程指导下对伤员简易处理再行迁移，让现场救援的形式更灵 活。3.2人员导航定位的精确化AR眼镜用图像识别技术快捷、精准地定位被困人员、灾区等场所，使指挥中心和救援人员迅速了解救 援对象和救援路线。增强的实景导航定位功能让救援人员更快地找到目标，在救援人员眼前呈现出原始环 境状态并指导救援人员开展救援。AR眼镜对现场环境进行的模拟分析，让救援人员更加准确地了解救援 现场的情况,提高救援操作的准确率和成功率。这些将虚拟信息和真实环境融合到一起的技术为救援行动 带来新的优势。3.3救援中意外风险的可控化救援现场经常会遇到一些难以预料的危险,AR眼镜可以通过虚拟现实技术模拟呈现环境的潜在风险。在控制风险的同时，也让救援人员能够更好地应对突发情况，提高安全性。所有人员可通过救援人员的AR 眼镜获得与救援人员视线基本一致的图像，反馈的图像和文字信息同时显示在AR眼镜屏幕,操作过程中解 放双手，避免因手部频繁移开救援工具或转移视线而分散注意力。AR技术所提供的现场监控和指导，让救 援人员更加安全和稳定地完成救援任务，降低人员风险和次生事故发生几率。在减小风险的同时，也提升了 救援人员的心理预期，能够更好地应对突发情况。3.4应急综合管理的集约化随着AR技术应用场景的不断发展,AR眼镜在应急综合管理中不断集约化。首先，应急救援中的情况 常常是紧急复杂的，AR眼镜通过实时的影像采集和图像识别技术，准确地找到需要救援的人员，降低搜索 时间和人力投入;其次,AR技术可以实时传输视频和音频等数据，帮助指挥中心与救援人员之间进行及时 沟通协作，从而高效并有序地展开救援行动，避免不同队伍的重复搜救;再次，从日常训练和防灾减灾的角度 来看,AR技术可以在虚拟现实中模拟救援场景，帮助救援人员更好地了解现场情况、风险和可能遇到的困 难，提升救援响应能力并及时消除隐患；最后，应急救援人员携带多种功能单一、笨重的探测和辅助设备，会 影响救援行动的灵活性,有时还需要分散精力保护这些设备山，而通过AR眼镜软硬件技术的不断发展，使 救援装备整合，降低了整体重量和成本。4 AR眼镜在应急救援中应用的问题和挑战AR眼镜在应急救援应用中不可避免地面临一些问题和挑战，但是这些问题和挑战并不代表AR眼镜 不能用于应急救援中。相反,提醒我们要更加重视AR眼镜的研发应用，不断改进和完善AR眼镜的技术和 功能。4.1 AR眼镜在实际应急救援应用中存在的问题AR眼镜在目前的应急救援实际应用中仍然存在一些问题。首先，在可靠性和稳定性方面，应急救援所 使用的AR眼镜需要保证其在高强度的救援行动中稳定可靠地运行，然而现有的民用AR眼镜受限于存储 和运算能力不足,容易出现卡顿、死机和过热等问题，防水、防尘、防摔等安全性能上也有所欠缺;其次，在人 机交互体验上,AR眼镜需要提供直观、快速、简易的人机交互方式，然而现有的AR眼镜在应急救援中的交 互方式不够直观，具有一定的学习曲线;再次,在设备续航能力上,AR眼镜需要足够的电池续航时间，以应 32 玻璃搪瓷与眼镜2023年5月对长时间的救援任务，但现有的AR眼镜自身续航时间并不持久，长时间持续使用仍依赖外接电源或更换电 池;最后,在成本问题上，高性能的AR眼镜产品单价较高,功能性与经济性的矛盾较为明显。4.2 AR眼镜在应急救援中面临的技术挑战AR技术已经在一些场景得到初步应用，其他技术的不断成熟也会使AR眼镜在应急救援中具备更佳 的可用性。首先，在定位精度方面,AR技术需要对建筑物、道路和场地等进行高精度的定位，以准确显示增 强信息，民用定位系统和传感器等技术算法在识别能力上的技术创新和改进正在帮助其提高定位精度；其 次，在抗干扰能力方面，应急救援现场的环境复杂多变，包括光影、透视和反光等各种因素，这些因素会影响 到AR技术的可靠性，针对复杂环境所开发的AR技术正逐步提升AR眼镜的抗干扰能力；再次，在采集质 量方面,AR眼镜需要实时获取高质量的视频来提供增强现实体验，采集算法的改进和传输质量的稳步提升 正逐步完善这一功能;最后,在统一的标准方面,AR眼镜由不同厂商制造，随着AR生态系统的发展和创新 标准的统一,不同设备之间的兼容性和互操作性正逐渐增强。4.3 AR眼镜在应急救援中的未来发展趋势在应急救援行动中，AR技术未来的发展趋势可能包括以下几个方面:首先，随着计算机视觉和机器学 习等技术的不断创新和发展,AR技术将会越来越成熟，现实感受将会更加准确、逼真，为救援行动提供更全 面、直观的信息;其次,AR眼镜的发展将兼顾防水、防尘、防摔等方面的要求，同时越来越轻量化、紧凑化，符 合人体工程学的设计，以提高使用体验、降低操作难度;再次,AR技术的发展将形成充分的可扩展性，以便 让不同救援团队和设备之间进行扩容协作;最后，在成本问题上,AR眼镜的成本将逐步下降,并通过规模化 生产和经济效益反哺研发,降低成本压力。5结语AR眼镜是一种高科技产品，具有实时信息获取、增强实时信息呈现、智能辅助决策和交互式操作等特 点。应急救援作为一项危机管理工作，关系到人民生命财产安全，因此应急救援中应用AR眼镜具有十分广 阔的应用前景和研究意义。AR眼镜在应急救援中可以快速获取实时的场景信息，包括危险区域、障碍物、人员位置等，这些信息可 以帮助救援人员更快速地作出决策，优化救援流程。AR眼镜可以将实时信息以图像化的形式呈现在救援 人员的视野中，提高救援人员对场景的认知度，有助于提高救援效率和减少救援风险。AR眼镜还可以通过 智能辅助引导救援人员选取最优的救援路径,并提供多种备选方案，减少救援过程中的误判和失误。AR眼 镜可以通过手势和语音等方式进行交互式操作，方便救援人员在紧急情况下解放双手用以操作工具。综上所述，应急救援中AR眼镜的应用研究具有重要的意义。未来的研究重点应该在AR眼镜的识别 精度、装配工艺、协同工作等方面,将进一步提高其在应急救援中的应用水平和效果，为人民生命财产安全保 驾护航。参考文献：1 杜杰.基于增强现实的复杂装备的装配系统设计研究D.南京:南京邮电大学,2022.2 SANNA A)MANURI F A.Sur vey on a pplica t ions of a ugment ed r ea lit yCJH.Adva nces in Comput er Science；An Int er na t iona l Jour na l,2016,5(1):18-27.3 范丽亚，马介渊，张克发，等.增强现实硬件产业的发展及展望口.科技导报,2019,37(15)=116-126.L4邓雅支.公共安全视角下消防救援队伍应急救援能力建设研究D.济南:济南大学,2019.5 商德民，阮桢，张磊，等.消防应急救援装备技术现状和发展趋势J.中国消防,2021,543(2):62-65.6 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瞿小妹.眼视光大咖深度解析眼部健康相关内容白皮书:重视配戴者教育，提升配戴者依从性J.中国眼镜科技杂志,2018(23):88-89.3 木尼热热孜.伊宁市维汉中小学生近视相关环境及遗传因素的调査D.乌鲁木齐:新疆医科大学,2017.4 甘嘉禾，李仕明，康梦田，等.近视的社会影响因素研究现状J.眼科新进展,2018,38(11):1094-1096,1100.5 佚名.中国成全球5G普及率最高国家EJ.0用电器,2022(3):3.6 钱金维.医学新知：蓝光伤眼及其防护的研究进展J.中国眼镜科技杂志，2020(7):66-69.7 KATHRYN A R,IAN G M,WAYNE S,et a l.Myopia,lifest yle,a nd schooling in st udent s of Chinese et hnicit y in Singa por e a nd SydneyJ,Ar ch Opht ha lmol,2008,126(4),527-530.8 原勇.护眼产品：多元化需求造就大市场J.中国眼镜科技杂志,2020(10)=18-20.(上接第32页)10 郭栋,杨晓明，鱼敏.虚拟现实一增强现实技术在核与辐射突发事件应急医学救援模拟训练中的应用探讨中华灾害救援医学,2018,6(2).49-52.11 HELD B,ALJUNEIDI S,PHAM T,et a l.Helon 360：A sma r t fir efight er shelmet int egr a t ed a ugment ed r ea lit y a nd 360t her ma l ima ge da t a st r ea ming _ EB/OL.2019 09*ht t ps:/w w w.r esea r chga t e,net/publica t ion/341764419_ Helon_ 360 _ A_ sma r t _ fir efight er s%27 _ helmet _ Int egr a t ed_ Augment ed_ Rea lit y_ a nd_ 360_ Ther ma l_ Iina ge_ Da t a _ St r ea niin.12 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