中圖分類號(hào):TP89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Motion Analysis and Training Guidance of Alpine Skiing Actions Based on Inertial Sensors
ZHANG Hao,PAN Ruoqian,JI Rujie,WANGLei (Qingdao Engineering Vocational College,Qingdao 266ll2,China)
Abstract: In response to the late start and weak research foundation of alpine sking in China, based on motion data from inertial sensors,a scientific motion analysis and training guidance method for alpine skiing is studied. By analyzing key characteristics such as the athlete’s center of gravity trajectory,upper limb stability, and blade angle, specific technical points are guided, and the cosine distance between training movements and standard movement data is calculated to complete the similarity evaluation of movements. A data analysis system for alpine skiing movements is developed to complete real-time movement data transmission and display,as well as historical movement data analysis and evaluation,and to vividly display the training effects of athletes through a visual interface. This study provides data support for optimizing training strategies and improving athlete performance for coaching teams.
Keywords: alpine skiing;sensor data;training guidance;data analysis system
冬奧會(huì)比賽項(xiàng)目中,高山滑雪以滑行速度快、視覺刺激強(qiáng)、動(dòng)作技巧足等特點(diǎn)深受大眾喜愛[。但由于中國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)起步晚,對(duì)此研究較少,高山滑雪面臨較大的發(fā)展瓶頸[2],因此科學(xué)的訓(xùn)練指導(dǎo)策略至關(guān)重要[3]。姿態(tài)數(shù)據(jù)是訓(xùn)練指導(dǎo)的前提,目前,高速攝像機(jī)和慣性傳感器廣泛應(yīng)用于人體動(dòng)作數(shù)據(jù)的采集,而慣性動(dòng)作捕捉設(shè)備以其出色的準(zhǔn)確性和室外便攜性常作為動(dòng)作分析首選[4-5]。KONDOA等[6]在運(yùn)動(dòng)員的腰、髖、膝及踝等多個(gè)骨骼段綁定可穿戴慣性傳感器,檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)彎時(shí)膝和肘關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)軌跡,為運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)彎特征的分析提出專業(yè)化的指導(dǎo)意見;BENEDIKTF等7將11個(gè)慣性傳感器分別綁定在四肢和髖等重要身體部位,設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)的計(jì)算算法,作為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的關(guān)鍵特征;MATSUMURAS等[8]在慣性傳感器的基礎(chǔ)上增加了壓力傳感器,通過(guò)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員足底和雪板的負(fù)荷比,對(duì)旋轉(zhuǎn)技能進(jìn)行評(píng)估。國(guó)內(nèi)對(duì)高山滑雪的動(dòng)作分析,主要是從人體受力的角度[9,計(jì)算在特定地形下的最優(yōu)軌跡,得到運(yùn)動(dòng)員比賽的最優(yōu)路線[10-11],但基于慣性傳感器的動(dòng)作研究較少。因此,本文基于慣性傳感器的動(dòng)作數(shù)據(jù),分析高山滑雪關(guān)鍵特征、量化高山滑雪評(píng)估體系并開發(fā)滑雪數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),不僅為科學(xué)化運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)建立了理論支撐體系,也對(duì)提升競(jìng)技滑雪訓(xùn)練智能化水平具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。
高山滑雪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)描述
由于雪場(chǎng)硬件及季節(jié)變換等客觀因素的限制,高山滑雪運(yùn)動(dòng)員在某些時(shí)段無(wú)法獲得穩(wěn)定的周期性訓(xùn)練,促使虛擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備的出現(xiàn)。德國(guó) Skytechsport公司研發(fā)的滑雪虛擬訓(xùn)練滑臺(tái),通過(guò)將無(wú)人機(jī)實(shí)拍賽道數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件系統(tǒng),精確模擬了賽道的地形起伏、回轉(zhuǎn)旗門的設(shè)置、起終點(diǎn)之間的高度差異以及坡度的變化等關(guān)鍵要素。該設(shè)備以虛實(shí)結(jié)合的方式,近乎完美地復(fù)刻了真實(shí)滑雪賽道的體驗(yàn),使運(yùn)動(dòng)員即便身處室內(nèi),也能進(jìn)行高效的高山滑雪動(dòng)作練習(xí),極大地緩解了訓(xùn)練場(chǎng)地稀缺的問題。
為捕捉完整準(zhǔn)確的滑雪運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),綜合高山滑雪比賽項(xiàng)目規(guī)則、技術(shù)要點(diǎn)以及人體三維骨骼模型相關(guān)研究,建立了由17剛體組成的人體骨骼模型[12],傳感器綁定于 ①~? 號(hào)關(guān)節(jié)位置,人體骨骼模型如圖1所示。人體骨骼段劃分嚴(yán)格遵循運(yùn)動(dòng)學(xué)約束,可復(fù)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員的回轉(zhuǎn)類和滑降類等動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員在虛擬訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行周期性的訓(xùn)練,在相應(yīng)的骨骼位置佩戴慣性傳感器,采集歐拉角、四元數(shù)、加速度等姿態(tài)數(shù)據(jù),為關(guān)鍵特征分析、動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)以及數(shù)據(jù)指導(dǎo)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。
2 高山滑雪關(guān)鍵特征分析
高山滑雪關(guān)鍵特征分析是科學(xué)化訓(xùn)練指導(dǎo)的重要依據(jù)。重點(diǎn)解析運(yùn)動(dòng)員重心軌跡、上肢穩(wěn)定性及立刃角度等關(guān)鍵特征的時(shí)變規(guī)律,幫助運(yùn)動(dòng)員形成針對(duì)滑行軌跡控制、平衡維持及彎道技術(shù)等專項(xiàng)能力的階梯式訓(xùn)練方案,為高山滑雪運(yùn)動(dòng)技能診斷與訓(xùn)練優(yōu)化提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策支持。
2.1 重心軌跡分析
雖然我國(guó)高山滑雪運(yùn)動(dòng)進(jìn)步較快,但與世界冠軍級(jí)別還存在一定差距。重心軌跡的變化曲線是評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員穩(wěn)定性的重要依據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查分析,高山滑雪運(yùn)動(dòng)員的身體重心越低,軌跡越平緩[13],成績(jī)就會(huì)越好,如果重心軌跡的運(yùn)動(dòng)曲線起伏變化較大,表明穩(wěn)定性欠佳。因此,運(yùn)動(dòng)員的重心穩(wěn)定性分析對(duì)科學(xué)化動(dòng)作指導(dǎo)至關(guān)重要。
人體運(yùn)動(dòng)重心三維坐標(biāo)的計(jì)算研究有測(cè)力板法、影像解析法以及穿戴測(cè)試設(shè)備法[14],其中測(cè)力板法需運(yùn)動(dòng)員站在測(cè)力臺(tái)上的壓力重心,位置相對(duì)固定,對(duì)速度要求高或運(yùn)動(dòng)空間大的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)度不夠。影像解析法需要精密而昂貴的攝像設(shè)備,實(shí)時(shí)高速的跟隨運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng),對(duì)硬件設(shè)備和軟件處理有一定挑戰(zhàn)。因此,測(cè)力板和解析影像兩種研究方法不適用于高山滑雪運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算。穿戴設(shè)備法主要是利用人體穿戴的姿態(tài)傳感器,通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,求解每個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo),然后根據(jù)關(guān)節(jié)位置“乘系數(shù)法\"計(jì)算運(yùn)動(dòng)中的人體重心[15],即
其中, GP 為重心坐標(biāo); Ji 為每個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo); ki 為對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的權(quán)重系數(shù)。
滑雪運(yùn)動(dòng)員按照比賽規(guī)則,在虛擬訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行回轉(zhuǎn)和滑降練習(xí),根據(jù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),通過(guò)“乘系數(shù)法”得到三維重心變化軌跡,教練員將此指導(dǎo)依據(jù)與國(guó)際頂尖運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行對(duì)比,對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)。某運(yùn)動(dòng)員身體重心的變化趨勢(shì)如圖2所示,藍(lán)色橫線為整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重心變化的均值,雙虛線箭頭的距離為各階段重心坐標(biāo)值與均值距離最大值。
由圖2可以看出,運(yùn)動(dòng)員的重心整體呈低—高—低的變化趨勢(shì),基本符合高山滑雪的動(dòng)作特點(diǎn),但其重心變化較不穩(wěn)定,以此作為指導(dǎo)依據(jù),可加快提升運(yùn)動(dòng)員的滑雪成績(jī)。
2.2 上肢穩(wěn)定性分析
上肢穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員滑雪平衡度的重要依據(jù),既能反映滑雪動(dòng)作展示的穩(wěn)定性,也能體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員對(duì)比賽項(xiàng)目控制的靈活性。張藝佳等[16]規(guī)范滑雪運(yùn)動(dòng)員比賽動(dòng)作,將上肢運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性作為關(guān)鍵特征進(jìn)行分析,通過(guò)比較優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員和普通運(yùn)動(dòng)員的穩(wěn)定性數(shù)據(jù),得到高山滑雪運(yùn)動(dòng)員在滑行過(guò)程中應(yīng)盡量保持上肢的運(yùn)動(dòng)軌跡與重心軌跡的變化趨勢(shì)相近的結(jié)論。本文對(duì)比分析運(yùn)動(dòng)員的脊柱和雙肩在豎直方向的坐標(biāo)軌跡與重心軌跡,得到上肢部位豎直方向 y 的變化軌跡如圖3所示。
由圖3可以看出,脊柱、左肩及右肩在豎直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡和重心坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)律相近,上肢穩(wěn)定性較好,對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)景和設(shè)備的把握度高。
2.3 雪板立刃角度分析
立刃角度是評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員滑降、回轉(zhuǎn)及大回轉(zhuǎn)等動(dòng)作的重要特征,其左右傾斜角度的變化反映了運(yùn)動(dòng)員比賽中的爆發(fā)力[17]。實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)員在指定部位綁定慣性傳感器,穿好雪鞋、雪帽等設(shè)備,在虛擬訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練。教練員可根據(jù)回轉(zhuǎn)過(guò)程中立刃角度的變化對(duì)運(yùn)動(dòng)員的爆發(fā)力進(jìn)行分析,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行左回轉(zhuǎn)訓(xùn)練,其運(yùn)動(dòng)負(fù)載腿為左腿,反之,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行右回轉(zhuǎn)訓(xùn)練時(shí),其負(fù)載腿為右腿,所以立刃角度的變化從側(cè)面能反映出左右腿的力量情況[18]滑行過(guò)程中左、右立刃角度的變化軌跡如圖4所示,左立刃角度的變化幅度大于右立刃角度,表現(xiàn)為左腿力量?jī)?yōu)于右腿。以此作為指導(dǎo)依據(jù),對(duì)運(yùn)動(dòng)員的回轉(zhuǎn)動(dòng)作和爆發(fā)力提出指導(dǎo)意見,可不斷提升運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練成績(jī)。
3動(dòng)作整體性評(píng)價(jià)
高山滑雪運(yùn)動(dòng)員在虛擬平臺(tái)練習(xí)時(shí),在同一賽道位置處的立刃角度、重心和上肢穩(wěn)定性等關(guān)鍵特征評(píng)價(jià)不夠規(guī)范化,因此,與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)非常重要。通過(guò)分析慣性傳感器采集的歐拉角、加速度及立刃角度等關(guān)鍵特征,將運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行相似度計(jì)算,得到與“冠軍級(jí)別動(dòng)作”的差距,從而量化的進(jìn)行滑雪動(dòng)作的評(píng)估指導(dǎo)。
3.1 相似度評(píng)價(jià)方法
動(dòng)作相似度的評(píng)價(jià)方法有歐氏距離和余弦距離等,歐式距離與動(dòng)作數(shù)據(jù)的位置坐標(biāo)相關(guān),對(duì)數(shù)據(jù)維度較敏感,計(jì)算得到的距離值變化范圍較大。余弦距離側(cè)重方向上的差異,對(duì)出現(xiàn)的絕對(duì)數(shù)值不敏感,并可將距離值限制到一定范圍之內(nèi),體現(xiàn)2組運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)向量在方向上的相對(duì)差異[19-20],本文在計(jì)算運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作之間相似度時(shí),采用余弦距離的表示形式。并采用滑動(dòng)窗口的方法,定義動(dòng)作數(shù)據(jù)幀數(shù)為50,將整個(gè)時(shí)間段的滑雪訓(xùn)練數(shù)據(jù)劃分為固定窗口的動(dòng)作序列,忽略2段動(dòng)作序列長(zhǎng)度不一的情況。設(shè) a=[x1 ,x2…,x3,……,xn. 為運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)提取的動(dòng)作特征, b=[y1,y2,y3,……,yn] 為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作提取的特征, θ 為夾角,則兩者之間的余弦距離為
由式(2)可知,2個(gè)向量余弦距離在 [-1,1] 范圍內(nèi),為了統(tǒng)一計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),提高可解釋性,并彌補(bǔ)原始余弦相似度在距離計(jì)算的局限性[21],將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,式(2)修改為式(3),余弦距離的值越接近1,2個(gè)動(dòng)作越相似,滑雪水平越高。
d=0.5cosθ+0.5
3.2相似度計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果
虛擬訓(xùn)練滑臺(tái)前方的場(chǎng)景為賽道無(wú)人機(jī)拍實(shí)景,標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作庫(kù)中的數(shù)據(jù)為“冠軍級(jí)別運(yùn)動(dòng)員”的姿態(tài)數(shù)據(jù)。訓(xùn)練時(shí)低水平運(yùn)動(dòng)員需在滑臺(tái)同一位置處與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的動(dòng)作姿態(tài)盡可能相同。所以,衡量運(yùn)動(dòng)員滑雪訓(xùn)練成績(jī)的關(guān)鍵在于找到同一方向同一位置處兩者的姿態(tài)數(shù)據(jù),方向可通過(guò)雪板的立刃角度判斷,位置通過(guò)雪板滑臺(tái)兩側(cè)的距離測(cè)算。為此,本文在模擬滑臺(tái)兩側(cè)安裝了位移傳感器,采集運(yùn)動(dòng)員在滑臺(tái)的位置數(shù)據(jù)。
運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示,位移傳感器固定放置于滑臺(tái)的兩側(cè),測(cè)量2個(gè)雪板距離滑臺(tái)兩端的距離。17個(gè)姿態(tài)傳感器的動(dòng)作數(shù)據(jù)與2個(gè)位移傳感器的位置數(shù)據(jù)通過(guò)UDP廣播發(fā)送到服務(wù)器,計(jì)算2個(gè)動(dòng)作序列的余弦距離,完成與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的相似度評(píng)價(jià)。
為了驗(yàn)證動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的有效性,采用滑動(dòng)窗口的方式劃分運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作特征之間的余弦距離,判斷滑雪成績(jī)的好壞。動(dòng)作對(duì)比如圖6所示,藍(lán)色姿態(tài)表示運(yùn)動(dòng)員右回轉(zhuǎn)時(shí)距離左側(cè)滑臺(tái) 4m 處的動(dòng)作,紅色姿態(tài)表示標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中相應(yīng)位置處的動(dòng)作。計(jì)算兩者之間的余弦距離 d=0.886 1 .該值越接近1說(shuō)明訓(xùn)練成績(jī)?cè)胶谩?/p>
4高山滑雪動(dòng)作分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在高山滑雪關(guān)鍵特征分析和動(dòng)作相似度計(jì)算評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,基于QtDesigner和Python開發(fā)了滑雪動(dòng)作分析系統(tǒng)客戶端。客戶端開發(fā)分為實(shí)時(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和歷史動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)兩部分,實(shí)時(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可實(shí)時(shí)接收并反饋?zhàn)藨B(tài)傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù);歷史動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可查詢分析并評(píng)估運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和狀態(tài)。
運(yùn)動(dòng)員登錄賬號(hào)和密碼后,進(jìn)人實(shí)時(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)如圖7所示,該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)數(shù)據(jù)。軟件界面包括UDP參數(shù)設(shè)置、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及傳感器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)通信采用UDP協(xié)議,設(shè)置端口地址及和IP地址,通過(guò)建立通信實(shí)例,循環(huán)調(diào)用接收方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)員的姿態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能,當(dāng)姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)在持續(xù)變化時(shí),判定傳感器運(yùn)行正常,反之,當(dāng)某傳感器數(shù)據(jù)不正?;蛘叩綦姇r(shí),立刻判定傳感器處于錯(cuò)誤狀態(tài),并顯示紅色。系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,設(shè)置好時(shí)間、姓名及數(shù)據(jù)信息類型等,調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù),完成訓(xùn)練數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,方便后續(xù)分析,實(shí)時(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可幫助運(yùn)動(dòng)員或教練員觀察傳感器的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化情況等,以免訓(xùn)練后數(shù)據(jù)沒有保存,耽誤后續(xù)動(dòng)作分析與指導(dǎo)。
歷史動(dòng)作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要完成對(duì)以往訓(xùn)練的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧與指導(dǎo),主界面如圖8所示。該軟件系統(tǒng)界面主要由數(shù)據(jù)庫(kù)登錄配置、訓(xùn)練歷史信息、關(guān)鍵特征的運(yùn)動(dòng)曲線及姿態(tài)相似度計(jì)算4部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)登錄部分是繼登錄界面驗(yàn)證后第2個(gè)需要登錄驗(yàn)證的部分,為教練員和運(yùn)動(dòng)員等不同角色分配不同的權(quán)限,并從隱私性的角度考慮,當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶名與密碼驗(yàn)證成功后,即可顯示右側(cè)的訓(xùn)練歷史信息部分。為方便反饋?zhàn)罱挠?xùn)練效果,歷史訓(xùn)練信息部分最多顯示5組訓(xùn)練數(shù)據(jù),其中“操作\"部分主要包含編輯和刪除 2個(gè)下拉框的內(nèi)容,可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練日期等內(nèi)容的修改和整組數(shù)據(jù)的刪除操作,點(diǎn)擊右側(cè)的“開始\"按鈕之后,服務(wù)器會(huì)根據(jù)傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù),在其下方顯示對(duì)該組動(dòng)作數(shù)據(jù)的滑雪關(guān)鍵特征分析,圖8選擇了2021年5組訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)個(gè)性化訓(xùn)練指導(dǎo)的需求,重點(diǎn)分析了運(yùn)動(dòng)員在模擬滑雪過(guò)程中重心軌跡、上肢穩(wěn)定性及立刃角度變化等關(guān)鍵特征。在模擬滑臺(tái)設(shè)計(jì)了位移傳感器,根據(jù)相似度評(píng)價(jià)方法,完成了運(yùn)動(dòng)員整體動(dòng)作的評(píng)估。開發(fā)了高山滑雪動(dòng)作數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng),以界面可視化的方式幫助運(yùn)動(dòng)員提升比賽成績(jī)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,運(yùn)動(dòng)員在重心穩(wěn)定性、上肢穩(wěn)定性以及立刃角度等方面存在個(gè)體差異,直接影響了滑雪成績(jī)的提升。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的可視化,更直觀地展示了運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練進(jìn)展和成效,為教練團(tuán)隊(duì)優(yōu)化訓(xùn)練策略及提升運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提供數(shù)據(jù)支撐。
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