精品录播教室建设具体方案.docx
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精品录播教室建设具体方案
精品录播教室
建
设
方
案
北京中视天威科技有限公司
2015年11月
前言
随着计算机多媒体技术、网络技术、信息高速公路等为代表的新技术的不断更新，推动了教案手段现代化进程。
企业企业学校基于网络的音视频录制点播成为多媒体教案应用的一项重要需求，虽然很多与教案相关的资源都是传统的录像带和VCD，但在网络已经普及到每个班级的情况下，如何将传统的录像带等模拟节目资源通过转换非常方便地成为网络上可供点播的资源，成为企业学校网络普及之后一项新的需求。
同时，随着多媒体课件在教案过程中应用的日益广泛，以及传统的教案评估、培训课录制、教案观摩、远程教案和学生自主学习等，都想采取一定形式把课堂教案过程或者讲义图像录制下来，作为企业学校的一种资源。
在现代教案过程中，多媒体形式的引入使得课堂实录除了需要录制教案过程中教员的影像和声音以外，还需要同步录制多媒体课件的内容，并且可以快捷方便的生成课件。
如何既能在减少培训教师操作流程的情况下，又能得到高清晰度的视频文件，成了一种新的需求。
中视天威在这一背景下，凭借多年的广电信息化工作经验，结合自身强大的技术研发优势，在充分理解了市场需求的目标后，推出了中视天威全自动课程录播系统解决方案
中视天威全自动课程录播系统将授课电脑VGA信号、教师授课和师生互动场景以及课堂板书等进行多种模式的整合录制，生成多媒体教案课件。
同时，系统实现基于网络环境的多画面直播，保证高清晰的课堂画面和音、视频精确同步的实况效果。
系统生成的高质量视频素材文件又可以通过非线编平台进行后期编辑，提高精品课程资源使用的灵活性。
中视天威全自动课程录播系统独创性的提供了全景模式、电影模式、资源模式的录制平台，满足不同企业学校、不同课程、不同场景的录制需要。
从而彻底解决了基于互联网基础上的信息化教案环境建设的需求和应用。
本方案设计具有前瞻性，满足长远发展。
系统结构灵活，采用模块化设计，支持多种典型应用模式。
系统建设既可一步到位，也可以根据企业学校资金及需求状况选择不同的解决方案。
无论是哪一种方案，整个系统都能够协调一致，构成一个满足相应需求的功能应用系统，不会造成重复建设或系统冲突。
第一章工程设计概述
一.1工程简况
北京中视天威科技有限公司就的建设需求进行了充分分析，并详细阅读招标技术文件。
经过仔细研究后，我公司组织从事教案环境研究、设计开发人员及系统架构师、方案工程师、工程经理、数据库管理员等工程技术人员就该工程的方案设计与规划进行了深入的交流和讨论。
我们将按照校方提出的总体需求，在总体实现功能齐全的前提下，提出针对该工程的解决方案。
工程整体设计规划如下：
工程建设目标是利用计算机技术、网络技术、音视频压缩技术、自动跟踪技术、多媒体技术，基于企业学校的互联网网络环境，遵循TCP/IP标准，构成具有课堂教案应用，支持网络的点播、广播、直播、存储、后期编辑等多种利用，真正实现在网络环境下对优秀课堂的真实、全面、立体化的再现的全自动课程录播系统。
一.2设计描述
一.2.1设计原则
工程的整体方案设计将遵循以下基本原则：
1、先进性：
先进的设计思想、网络结构、开发工具，市场覆盖率高、标准化和技术成熟的软硬件产品。
2、灵活性：
采用积木式模块组合和结构化设计，系统配置灵活，满足企业学校逐步到位的建网原则，使网络具有强大的可增长性和强壮性。
3、发展性：
网络规划设计满足用户发展在配置上的预留，满足因技术发展需要而实现低成本扩展和升级的需求。
4、可靠性：
整体系统软、硬件设备具有高可靠性，具备长期稳定工作的能力，可实现系统冗余功能，并具有防止误操作等行为对系统造成的破坏。
5、实用性：
方案设计符合国际相关标准和技术规范，并且容易使用、操作简便。
充分考虑利用各种资源，人机界面友好，能使用户最方便地实现各种功能。
6、开放性：
在满足安全可靠和实用的前提下，系统设计采用开放技术、开放结构、开放系统组件和开放用户接口，以利于网络的维护、扩展升级及良好的灵活性、兼容性和可移植性。
一.2.2设计标准
1、网络设计和网络设备符合以下标准：
1）IEEE802.310Base-T网络标准；
2）IEEE802.3100Base-TX快速以太网标准。
2、通讯协议标准：
络层和传输层TCP/IP协议并兼容IPX协议，支持PPP和SLIP协议。
3、布线和电气安装标准
1）GB/T50311-2000建筑与建筑群综合布线工程设计规范；
2）ANSIEIA/TIA607民用建筑通讯接地标准；
3）ANSIEIA/TIA-568A商务建筑布线标准；
4）ANSIEIA/TIA-569A商务建筑通道标准；
5）ANSIEIA/TIA-606商务建筑布线系统文档建立标准；
6）EIA/TIATSB-67商务建筑布线系统测试标准；
7）GB50254-50259-96《电气装置安装工程施工及验收设计规范》；
8）GA/T75-94《中华人民共和国公共安全行业标准》；
9）GYJ125-86《厅堂扩声系统声学特性指标标准》；
10）GB6510-86《30MHz-1GHz音频和视频信号电缆分配系统》；
11）GBJ《有线电视广播系统技术规范》；
12）GY106-92《民用建筑电缆电视系统工程技术规范》；
13）《民用建筑电气设计标准》
第二章需求分析及技术改造要求
二.1需求分析
经过前期技术工程人员对贵校的实地考察及详细了解用户需求后，建设方案需实现1精品录播室的全方位、立体化的课程编辑、录制和异地远程听课教室实时收看来精品录播室现场的直播画面以及对视频课程的在线点播。
是贵校考虑的主要问题。
二.1.1全自动无人值守录课
中视天威全自动课程录播系统将教师电脑VGA信号、教师授课和师生互动场景等进行多种模式的自动整合录制，自动生成多媒体教案课件，实时自动构建培训课程资源库，供网上学生自主学习。
同时，系统实现基于网络环境的多画面直播，保证高清晰的课堂画面和音、视频精确同步的实况效果，可对资源文件进行后期编辑，提高课程资源使用的灵活性。
二.2技术改造要求
略
第三章精品录播系统方案综述
三.1方案整体描述
课程录播系统解决的问题就是把一些非常优质的教育资源通过现代化的教案手段，得到共享。
而传统的教案以教师演讲者为中心，以传授知识为主。
教师与教师之间、教师与学生之间互动不够，资源孤立，教师资源、校本资源浪费严重。
而以信息技术为代表的现代化教育技术的应用则表现出明显的先进性、灵活性、可靠性、开放性。
现代教育技术是运用现代教育理论和现代信息技术，通过对教案过程和教案资源的设计、开发、应用、评价和管理，以实现教案过程和教案资源的优化的理论和实践。
它的内涵包括：
一是现代教育技术的目的是实现教育最优化；二是现代教育技术设计的不仅是计算机、网络等现代教育媒体，而是教育过程所有可操作的要素，包括人力资源和技术资源，如教案人员、校本资源、精品教案媒体、教案设施、教案活动等。
将互联网从普通计算机局域网建设成为面向教案、科研、管理等应用的网络，能够传输和处理多媒体信息，使各种类型的多媒体资源能在互联网上灵活应用，并且能一网多用，多网合一，将众多校园独立的应用系统整合起来，是互联网解决方案的发展方向。
中视天威全自动课程录播系统：
针对现今企业、培训机构、学校等信息化教案的重点需求，利用纯硬件的VGA采集压缩编码技术实现教师的讲稿、多媒体课件、现场多路的音视频信号实时采集压缩，以标准的流媒体方式实现在网络中的传输、管理、控制，支持网络的点播、广播、直播、存贮、后期编辑等多种利用。
三.2系统背景介绍
从1999年起，网络信息化建设开始兴起，局域网、城域网、计算机教室等热潮不断兴起。
技术上的创新与进步，客观上能推动教案辅助手段的进步。
进入21世纪，随着PC记、笔记本类设备不断普及，人们对计算机类设备的操作应用水平不断提高。
同时，网络技术的发展对教育最大的影响就是网络教育的兴起，网络技术的普及应用使物理、空间上的距离不断缩小，从而，优质的教案资源能够让更多的师生共享。
共享优质教案资源，实现公平教育，力推网上自主学习，使得课程录播教室的建设就成为一种新的潮流。
从精品录播教室建设发展的过程来看，最早是从高校开始兴起。
教育部关于精品课建设的要求及政策，极大地推动了相关设备与技术的发展。
近两年，国内职业学习的实训教室以及普教中应用水平较高的中小学，也开始精品录播教室建设。
从发展的趋势来看，课程录播教室的建设正在不断深入发展之中，其发展前景广阔。
三.3系统应用范围
三.3.1网络课件制作
系统能自动生成可供网络点播的网络课件，后期可对录像文件进行删减、合成、索引等编辑，也可导入非线编平台进行专业编辑。
方便用户教与学的综合应用，优质精品课件的评比等等。
三.3.2优质课程资源库建设
可以为企业学校进行优质课资源库建设，同时也可为课件上传提供开放式管理平台。
教师上课完成时，录制的课件会自动生成，可直接上传到服务器；配合个人资源库管理权限，进行资源分类/多级目录创建/课件预览/课件删除等操作。
系统还提供B/S和C/S两种结构的资源管理平台，为教师资源上传点播提供开放式管理平台。
同时管理平台全面支持基于内部园区网或广域网终端对课件库资源的授权访问/浏览查询/下载导出应用。
三.3.3远程教案应用
随着网络技术的运用普及，企业学校也从单纯的教室课堂发展到了与网络课堂相结合的多模式教案活动。
通过中视天威全自动课程录播系统，用户可以进行课件的网络直播和课后点播，示范性教案、学生远程学习，远程互动教案等等。
用户可以随时随地进行观摩、学习，不再受空间和时间的限制。
三.3.4教案技能训练、微格教案评估
教师的教案技能训练一直是企业学校关注的重点，以往通过上教室现场听课的方式无法正确客观地对教师进行评估，已经无法满足企业学校的需求。
中视天威针对企业学校的需求，根据微格教案的特点，在录播系统中嵌入微格教案评估系统，企业学校通过系统内的各项技术指标进行评测评估（技术指标内容可根据企业学校实际情况进行修改），通过远程对教师的教案技能进行客观的综合评估，以训练教师的各项教案技能，从而使教案水平得以提高。
三.3.5企事业单位培训、专家报告、重要会议录制
在企事业单位里，各种培训、专家的报告、重要的会议越来越多，各种如手工记录、人工录音和人工录像的原始模式已经无法满足需求。
随着信息技术数字化、网络化进程的不断深入，通过录播系统进行全方位的录制，能够真实地记录各种会议的全过程，并作为历史资料永久保存下来，可以方便用户在会后进行资料查询和播放。
三.4关键技术介绍
三.4.1DSP
数字信号处理是一种将现实世界中真实的模拟信号（Analogsignals）转换为计算机能够处理的数字信息（Digitalsignals）的过程。
这些信号通过一个模拟向数字的转换过程（称之为AD），变成数字信号送给处理器，进行数字计算，处理结束后，再把结果通过数字向模拟的转换过程重新变成连续信号（称之为DA）。
用一般的通用微处理器可以完成这些工作，但是面临的问题是满足如此高的计算速度，就很难保证耗电量很低，更难保证价格足够便宜。
因此，另一种微处理器应运而生：
数字信号处理器，简称DSP（DigitalSignalProcessor）。
DSP是微处理器的一种,这种微处理器具有极高的处理速度.因为应用这类处理器的场合要求具有很高的实时性（RealTime），比如通过移动电话进行通话。
在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。
以下是DSP优于其他微处理器的几点优势：
1、单周期内进行多条乘/加运算
2、实时的运算能力、仿真能力、模拟能力
3、灵活性高
4、可靠性高
5、提高系统性能
6、降低系统成本
三.4.2VGA采/编
随着数字信息的不断发展，很多行业对VGA信号的采集需求不断提升,面对市场的迫切需求，VGA信号实时采集压缩卡它可以把输入的VGA模拟信号实时采集压缩，不用再增加额外的设备，既能保证信号的连续实时，又能保证清晰不失真，从而完美解决了VGA信号的实时采集压缩这一难题。
主要特点如下：
1、强大的独立运算能力：
基于高性能的DSP处理器，独立运算，不占用主机的运算资源。
2、视频高度清晰：
对VGA信号采用高达32位的高速模数转换，保证采集画面达到高清标准，没有损失，接近原始信号。
3、采集编码同步完成：
对VGA信号进行实时采集、模数转换、压缩编码、传输。
4、采样范围宽：
采样带宽可达到600MHz，显示视频、文字、图片、网页都可保证清晰、连续、稳定。
5、分辨率自适应：
640*480~1280*1024
6、刷新率自适应：
60~85Hz
三.4.3远距离拾音技术
高质量的录播课件，是高质量的图像和高质量的声音相结合的产物。
但在实际制作中，人们的注意力往往集中在图像的质量方面，而对声音的质量重视不够，会在制作完后的声音部分出现这样或那样的缺憾。
因此，我们有必要在声音采集方面进行探讨，以提高录播课件中的声音质量。
我公司在研制策略编辑系统时，对声音采集技术进行了深入地研究。
尤其在教案现场的拾音技术上有较大的突破。
解决了在不使用无线话筒的前提下，同样能获得很好的声音效果。
所谓远距离拾音是一个相对的概念，是行业内一个专用词，将2M左右的距离称为“远距离”。
两个同样距离的、响度也一样大的声源，一个在0度，一个在90度。
这种拾音方式利用了房间或厅堂的声学特性和乐器、人声的自然辐射以及传声器的设置。
远距离拾音可以使拾取的声源在频谱上将逐渐趋于平衡，拾取的早期反射将起到加强直达声的作用，而且拾取的混响声场的能量也逐渐增加，来进行整体拾音。
采用远距离拾音技术，对于拾音器的选择相当重要，强指向话筒是最佳的拾音工具，当话筒指向0度的声源时，能正常拾取0度声源的声音。
这时，拾取到90度声源的声音是很小的。
这样话筒就具有了选择性，而全指向话筒则不能选择，得到的两个声源的声音会一样大。
有这个选择性是很重要的，30厘M与2M声音的变化了40dB，要拾取到2M处的声音，话筒放大电路要提高40dB的增益才行。
如果这时使用普通的话筒（普通话筒大部分是全向的），得到的声音是很乱的，基本上不能用了。
所以指向性越强的话筒，就越适合远距离拾音。
在教案现场采取远距离拾音技术，就能实现不使用无线话筒的愿望，达到真正意义上的常态化录制课程，不干扰教师和学生的正常上课秩序。
远距离拾音的主要优点是利用自然混响，拾取的声音更自然、更真实。
不像近距离拾音那样，声音紧贴屏幕，声音听起来很不舒服。
三.4.4图像定位及跟踪技术
图像定位及跟踪技术，定位精度高，抗干扰性能强，教师与学生不需要佩戴和操作任何设施，探测、跟踪、切换策略综合（布局）考虑，总体设计，画面严谨周密，无垃圾镜头。
自动跟踪的先决条件是确定被摄目标的位置，本系统采用主动型智能探测扫描的方式来探测被摄目标，可称为投影法。
每一个发射与接收只需千分之一秒，这种方式抗干扰强，定位准确，不需要被摄目标佩戴任何装置。
通过智能探测的定位，自动跟踪被摄目标和自动切换多机位画面。
可模拟人工操作的模式工作，自动拍摄高质量的教案电视节目。
本系统原则上分教师探测区和学生探测区两种方式，各自形成独立的探测的区域，又相互支持。
教师探测区可以弥补学生探测区的盲区，学生探测区也可以弥补教师探测区的盲区。
在画面切换的逻辑判断上又相互参考。
在教室后面上方左右各有一个智能探测发射器，它的发射角度大约45度左右。
在教室前方墙面，距地面1M处（一般黑板下沿），从左到右设置一排智能探测接收装置，由红外接收管组成。
当智能探测发射器发出信号，接收装置就能收到探测信号。
教师在黑板前面的左右位置都能探测出来（也就是教师在板书的状态能够非常准确地进行探测）。
学生探测区域，探测学生的目的是学生回答教师的提问时，学生摄像机要捕捉到学生的图像。
学生回答问题时，首先要起立。
根据这一特点，我们只要探测到站立的人就可以了。
一般学生的坐高在1.2M左右，可以将站立的分界线定在1.3M。
在教室的后面墙面1.3M处，安装一排智能探测感光探头。
在教室的前方，黑板两侧和墙角安装智能探测发射器。
这样在教室1.3M处形成一个平面。
教室的两侧，一般有窗户和门，不便安装探测装置。
教室前面有黑板也不能安装智能探测发射器，由于安装条件的限制，各自的区域都有盲区。
在无法探测到的区域，这时教师探测区域正好可以弥补这一缺陷。
如果要考虑学生身高不同的情况，可将探测平面改为前低后高的倾斜面。
就是说将智能探测发射器降低高度，一般情况下前排的学生个子都比较矮。
由于探测只能纵向进行，但探测面呈现扇面形，我们可以利用这一特点，就能相对准确的确定学生前后的位置。
例如，前排右面的学生他阻挡探测信号的阴影很宽，而最后面的学生的阴影就很窄。
当教师走下讲台，教师探测区域就不能探测到教师的位置。
这时学生探测区域就可以承当探测任务。
就是说在教师区域没有教师时，应到学生区域里找。
当教师与学生对话时，有可能教师位置会与学生的位置冲突，有两种可能，一是教师与学生在不同的位置，探测器得到两个信息。
教师的活动范围是教室前方两M的范围和通道，根据这两个范围就能得出哪一个是教师数据。
二是教师和学生是一个位置数据，这时，两台摄像机对准位置即可。
运用独特的图像定位化方式，跟踪机的各部分，根据景别对网格进行设置，通过坐标网格联系。
探测部分将探测到的目标位置，确定在相应的网格里。
跟踪部分则按该网格的坐标移动摄像机。
切换部分也会依据位置参数，作为切换镜头的条件。
控制多台摄像机，采用坐标绝对定位方式。
每一个空间包含3个摄像机的上下、左右、变倍数据。
即景别和位置。
三个动作都有速度选择，可根据不同的要求使用不同的速度。
这种空间网络定位及跟踪技术，充分考虑了企业学校教案的特点，从而对目标的跟踪更准确、更灵活，画面更流畅。
三.4.5网络流量控制技术
1、单组播转换技术
在很多局域网络环境下，组播的实现方式与广播相同，许多二级交换机支持IGMPSnooping，由于视频数据通信量较大，在实际的网络传输中采用广播的方式。
在这种情况下，一个组播对网络的压力要远远高于多个单播的压力。
Cisco的CGMP和华为的HGMP虽然可以通过第三层和第二层结合的方式解决这一问题，但是系统造价高昂，而且对于已实现局域网的企业学校升级成本不可能接受。
中视天威采用的单组播转换技术解决这一问题。
中视天威ZDIG服务器、视频服务器都可以配置设定单组播转换的临界点，即单播数量超过这个临界点后自动转换为组播，低于这个临界点后自动转换为单播，通过这种方式，即可以降低组播数量，降低网络带宽占用；又可以在服务器转发单播数量超过一定限制后转换为组播，降低服务器发送开销，平衡网络传输压力。
2、自适应码流技术
采用UDP、TCP、HTTP方式传送视频数据，中视天威的服务器都可以在网络视频数据传输的同时获得网络通信情况的信息，在UDP方式下，这是通过网络丢包率的统计获得的，在TCP、HTTP的方式下，这是通过发送缓冲的大小获得的。
通过网络阻塞情况的信息，
为避免网络过渡阻塞，中视天威管理平台可以在网络阻塞的情况下通过降低图像质量、降低编码帧率等方式降低视频压缩码率，降低网络阻塞情况。
在网络阻塞较轻的情况下，在录像码率允许的情况下，适当地调高图像质量和帧率，提高图像清晰度。
三.4.6安全管理体系
三.4.6.1认证和证书
本方案的许多服务/资源的访问需要受到访问控制的限制。
为了实现这一功能，使用应用程序的客户必须要向系统证明自己（是谁），这一过程被称为认证。
用户认证后，系统必须为用户提供用于安全访问的一个或多个属性，用于进行访问控制和优先抢断等。
这些安全属性被封装在一个证书中，并且可以在系统中传递。
中视天威系统扩展证书包含：
1、授予证书的认证服务器；
2、一般性信息，包括用户ID、优先级、所属于的组等；
3、操作能力，标识本证书所代表的用户能够访问的目标实体（服务/资源实例）以及在这些目标实例上可以进行的操作；
4、其它的限制信息：
如证书可以存活的有效时间等。
三.4.6.2访问控制、控制属性和权限
图 访问控制示意图
上图提供访问控制的简单框架。
如图所示，客户端只有在权限访问控制运行的情况能够访问目标的特定操作，这是通过访问控制决定函数（AccessDecision）实现的。
客户端访问控制功能定义了允许调用目标实体特定操作的条件，目标端访问控制定义了目标实体进行特定操作的条件。
在中视天威的软件平台上，同时支持上述两种方式。
访问控制函数根据以下项确定操作是否被允许：
1、进行当前操作用户的安全属性
2、需要执行的服务（如点播视频服务器）
3、需要执行的操作（如数据传输、云台控制）
4、被操作的目标本身（具体的视频服务器、或者某个域，如哪个考场，哪个区）
通过上述方式，中视天威安全管理的访问控制功能具有强大的可扩展性，可应用于不同场景的需求。
安全代理
图 安全管理代理调用链示意图
在系统中，客户向服务实例请求执行一个操作，但是这个被请求的服务自身经常不能完成操作，而需要继续依赖于其它服务实例的支持，造成一个服务的调用链，如图所示。
操作链的模式复杂化访问控制模式，需要引入安全代理的概念，所谓安全代理，就是初始者（请求链中的第一个客户）的访问控制信息被代理给请求链中的中间者，以访问最终目标的一种方法。
第四章精品录播教室建设方案
四.1系统概述
精品录播室采用固定式课程录播主机，扩展探测、跟踪、定位、智能策略等模块实现。
这种方案采用科学合理的方法将教室空间立体化的分割为若干区域，有效搭配安装多种图像探测设备。
教案过程中，自动跟踪主机根据获取的各种探测信号、动作肢体信号、中控切换信号、键盘鼠标动作等，采用科学策略进行综合智能分析，灵活准确的调度现场的摄像机、调音台等采集设备，保证拍摄主体，自动调节景别景深，实现课堂无干扰、无意识控制、无人值守的全自动智能录播。
在精品录播室内充分使用先进数字摄像设备，虚拟抠像系统、加以先进的视频特技切换设备、多媒体直播服务器等，通过互联网、内部局域网，同时建成多点的网络观看室，实现视频化网络传输，在各办公室或教室内的终端计算机上可以直接收看演播室内的现场直播及录制，也可通过室内多功能一体机进行网络直播接收。
实现对教师、学生课堂动态的视频自动跟踪采集，为了更好地提升学校教案的整体优势和整体系统的先进性，实现与未来课程发展趋势及未来教室的发展对接，提升企业的投资回报率和在未来5年内系统保持一定的领先性。
工程中的精品录播系统主要应用于精品课程的高清录制和直播，制作出来的课件要符合国家精品课程教案上网技术标准，适用于各种学习平台。
系统支持包括动态三分屏模式、单画面的电影模式在内的6种录制模式，且录播采集的素材和录制成的课件可导入到动态交互式精品课件制作系统，生成动态交互式的图片笔记索引视频课件或其他资源课件。
四.2方案建设示意图
四.2.1精品录播室结构图
四.2.2精品录播教室设备分布图
四.2.3精品录播教室设备构架图
四.2.4精品录播室直播示意图
四.2.5实景效果图
四.3精品录播教室系统组成说明
录播教室由多个子模块组成，包括多媒体教室模块（如讲台、中控、展台、笔记本、投影机等等）、教室场景摄像机图像采集模块、VGA采集模块、自动跟踪探测模块、拾音系统、扩音系统、网络实时直播模块、B/S架构点播模块、录播系统资源管理模块以及外部条件（灯光系统、吸音处理）等。
可以轻松实现如下功能：
1.系统可以接入和采集4路高清视频和1路VGA信号，可非常方便快速录制成6种类型的课件；老师视频、学生视频及教师机的VGA信号可以实现自动切换及手动切换；其中自动切换有多重策略，学
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