全 文 ：第 wt卷 第 v期
u s s x年 x 月
林 业 科 学
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¤¼ou s s x
基于线阵 ≤≤⁄植物微根系图像监测分析系统
刘九庆t 汤晓华u 陈 健t 谢永华t 蒋云飞t
kt1 东北林业大学机电工程学院 哈尔滨 txssws ~ u1 清华大学机械工程系 北京 tsss{wl
摘 要 } 开发基于线阵 ≤≤⁄植物活体微根系图像监测分析系统 o消除面阵 ≤≤⁄图像桶形畸变 o实现微根系生长
无损原形监测 ∀环形微根系扫描结合纵向深度位移 o系统实现微根管内微根系全景图像扫描 ∀通过基于分形理论
的计算机微根系图像处理系统完成所采集图像的分析 o系统可自动完成基于像敏单元的定量化获取微根系生长关
键特性值及其生长动态特性计算 ∀本系统可应用于农林行业苗木培养 !作物生长模型研究等领域 ∀
关键词 } 线阵 ≤≤⁄~植物微根系 ~图像监测 ~微根系分布密度 ~动态特性
中图分类号 }≥wt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsv p stut p sw
收稿日期 }ussw p tu p vs ∀
基金项目 }哈尔滨市青年科学研究基金项目资助kussu„ƒ±÷stsl ∀
Τηε Πλαντ Φινε ΡοοτσΙµαγε Μονιτορ Αναλψσισ Σψστεµ Βασεδ ον Λινεαρ ΧΧ∆
¬∏¬∏´¬±ªt פ±ª÷¬¤²«∏¤u ≤«¨ ± ¬¤±t ÷¬¨ ≠²±ª«∏¤t ¬¤±ª≠∏±©¨¬t
kt1 Χολλεγε οφ Μεχηανιχ ανδ Ελεχτρονιχ Ενγινεερινγ oΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβινtxssws ~
u1 ∆επαρτµεντ οφ Μεχηανιχ Ενγινεερινγ oΤσινγηυα Υνιϖερσιτψ Βειϕινγtsss{wl
Αβστραχτ} ׫¨ ¬¯√¨ ³¯¤±·©¬±¨ µ²²·¶¬°¤ª¨ °²±¬·²µ¤±¤¯¼¶¬¶¶¼¶·¨° ¥¤¶¨§²± ¬¯±¨ ¤µ≤≤⁄ º¤¶ ¬¨³¯²¬·¨§oº«¬¦«¨¯¬°¬±¤·¨§·«¨
¤µ¨¤ ≤≤⁄§²¯¬©²µ° ¤¥¨µµ¤·¬²± ²©·«¨ ¬°¤ª¨ o¤±§µ¨¤¯¬½¨ §∏±¥µ²®¨ ± ¤±¤¯¼½¬±ª·«¨ ©²µ° ²©©¬±¨ µ²²·¶q≤²°¥¬±¬±ª¦¬µ¦¯¨ ©¬±¨ µ²²·¶
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¦²°³∏·¨µ©¬±¨ µ²²·¶¬°¤ª¨ ³µ²¦¨¶¶¬²± ¶¼¶·¨° ¥¤¶¨§²±·«¨ ©µ¤¦·¤¯ ·«¨²µ¼o·«¨ ¦²¯¯¨ ¦·¨§¬°¤ª¨ º¤¶¤±¤¯¼½¨ §q׫¨ ©¬±¨ µ²²·¶®¨ ¼
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Κεψ ωορδσ} ¬±¨ ¤µ≤≤⁄~³¯¤±·©¬±¨ µ²²·¶~¬°¤ª¨ °²±¬·²µ¬±ª~§¬¶·µ¬¥∏·¬±ª§¨±¶¬·¼ ²©©¬±¨ µ²²·¶~§¼±¤°¬¦·µ¤¬·¶
植物微根系的生长 !衰老 !死亡和分解过程研究越来越为植物研究学者 !生态学家所重视kŠ¬¯¯ ετ αλqo
usss ~¤∏¨±µ²·«oussvl ∀植物微根系观测研究很不方便 o经过长期研究归纳出以下方法 }田间直接方法 !直接
观察方法和间接观察方法 o其中国外又以直接观察法中的微根管法发展应用较快 ∀微根管法于 t|vz年首次
被提出来应用于微根系生长研究k²«±¶²± ετ αλqousstl o即以一定的角度向土壤中插入透光性较好的玻璃管
或塑料管 o通过管壁与土壤间的界面进行微根系生长全过程原方位无损观察 ∀最初的微根管技术只能实现
肉眼观察 o经逐渐改进采用通过事先安装于玻璃或透明塑料管中的潜望镜来观察土壤中微根系生长的动态
过程 ∀安装袖珍望远镜以放大微根系图像 o配以袖珍相机 o拍照记录微根系的生长动态过程 ∀在此基础上已
开发出许多新的观测手段 o包括根潜望镜k•¬¦«¤µ§¶ot|{wl !内诊镜k‘²²µ§º¬­® ετ αλqot|{xl和小型彩色摄像仪
k‹ ±¨§µ¬¦® ετ αλqot||vl o并配备录像带进行自动摄像以观察微根系生长的动态过程k≤«¨ ±ª ετ αλqot||sl ∀
随着半导体技术的不断发展 o特别是 ≤≤⁄技术的成熟 o配以计算机使得微根系微根管观测技术实现了
数字化 ∀如 …¤µ·½ × ¦¨«±²¯²ª¼ ≤²µ³²µ¤·¬²±开发的微根管观测系统可以方便地实现数字化图像的采集 !记录 !存
贮及基于计算机图像处理技术的微根系动态参数测量 o快速准确 o极大地减轻了工作量k≥°¬·ετ αλqoussvl o
采集图像质量完全可以满足分析要求 ∀但是现有微根系图像采集系统均采用面阵 ≤≤⁄o如 …¤µ·½ × ¦¨«±²¯²ª¼
≤²µ³²µ¤·¬²±的产品就是先经 wxβ棱镜反射后将图像映射在 ≤≤⁄靶面上 o实现图像的数字化采集 ∀其缺点是为
消除图像畸变 o每次采集的微根系图像面积只能不大于 ≤≤⁄面阵靶面积 o限制了微根系观测范围 ~另外由于
微根管为圆截面 o而靶面为平面 o故每次图像采集后须在软件中完成微根系尺寸校正计算 o存在影响测量精
度的因素 ~除此外实现同深度全景观测图像采集需加附件 o操作过程比较繁琐 o自动化程度较低 ∀
本文提出基于线阵 ≤≤⁄的便携式微根系微根管监测分析仪系统 o有效克服上述缺陷 o实现计算机控制
全观测深度 !环管壁全景观测图像自动采集 o基于分形理论的智能微根系图像处理和微根系参数计算 o系统
可以检测管内温度 o操作简便 o成本较低 ∀
t 系统构成
基于线阵 ≤≤⁄微根系微根管监测分析系统主要分为 u部分 }微根管系统硬件部分主要由插入土壤中的
玻璃管或透明塑料管 !线阵 ≤≤⁄图像获取单元 !旋转扫描电机执行控制单元 !观测深度移动电机控制单元 !
图像转换卡 !计算机系统和温度检测装置以及机械执行机构组成 ~软件部分主要由实现扫描电机的控制算
法 !观测深度电机的控制算法 !微根管内温度的检测和微根系图像的采集与微根系参数分析处理单元组成 ∀
图 t 植物微根系图像监测分析系统
ƒ¬ªqt °¯ ¤±·©¬±¨ µ²²·¶¬°¤ª¨ °²±¬·²µ¤±¤¯¼¶¬¶¶¼¶·¨°
t1 计算机 ≤²°³∏·¨µ~u1 旋转 !竖直位移驱动单元
•²·¤·¬²± !√¨ µ·¬¦¤¯ §¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·§µ¬√¨¦¨¯¯ ~v1 线阵 ≤≤⁄ ¬±¨ ¤µ
≤≤⁄~w1线光源 ¬±¨ ¬¯ª«·¬±ª¶²∏µ¦¨ ~x1 地表 ¤±§¶∏µ©¤¦¨ ~
y1微根管 ¬±¬µ«¬½²·µ²±~z1微根系 ƒ¬±¨ µ²²·¶q
111 微根系微根管监测分析硬件系统
硬件系统示意图如图 t所示 ∀透明管为系统的外壳 o使用
时透明管插入需要分析的微根系土壤中 o使管壁与土壤尽可能
紧贴 o同时尽可能减少管壁对周围土壤的影响 ∀线阵 ≤≤⁄用来
获取图像 o本系统中采用大尺度的线阵 ≤≤⁄o采用线阵 ≤≤⁄有
以下优点 }首先线阵 ≤≤⁄在近距离获取图像时图像畸变很小 o
其次线阵 ≤≤⁄的尺度可以做到几十厘米 o但过长对线阵 ≤≤⁄与
微根管中心线之间的平行度要求严格 ∀而面阵 ≤≤⁄的尺度一
般在 uy °°以内 o这样采用线阵 ≤≤⁄一次成像的幅度可达到与
线阵 ≤≤⁄同样的尺度 o而面阵 ≤≤⁄在近距离时由于视场限制和
考虑到畸变 o一次成像的幅度很小 ∀电机控制执行单元主要完
成电机的转动控制从而实现线阵 ≤≤⁄的扫描 o该单元接受计算
机的指令控制 o电机以一定的速度作匀速转动k胡秀娟等 o
ussvl ∀
112 微根系微根管监测分析软件系统
系统构成见图 u ∀计算机图像处理单元完成发送系统的控制指令 o同时将由线阵 ≤≤⁄获取的图像进行
存储和分析处理 ∀工作时 o首先由主控计算机通过软件发送图像获取指令 o线阵 ≤≤⁄在扫描电机驱动下在
透明管中作旋转运动 o获取与透明管紧贴的管外壁的微根系及土壤图像 o该图像被传输到计算机进行分析处
理 o判断微根系的状况 o计算出微根系的参数 o实现对微根系的监测 ∀同时可以完成微根管内温度的监测 o也
可以测量微根管扫描对管内温度的影响 ∀完成一次旋转扫描后 o在深度位移电机驱动下提升或降低扫描头
可以进行下一次扫描 o如此下去 o每次升降使扫描图像沿深度方向有所重叠 o最终拼接出完整微根管扫描图
片 o为微根系生长研究提供更全面信息 ∀
微根系微根管图像监测软件系统界面
ƒ¬±¨ µ²²·¶°¬±¬µ«¬½²·µ²±¬°¤ª¨ °²±¬·²µ¶²©·º¤µ¨ ¶¼¶·¨°¬±·¨µ©¤¦¨
微根系图像
显示模块
ƒ¬±¨ µ²²·¶
¬°¤ª¨ §¬¶³¯¤¼
°²§∏¯¨
深度位移
控制模块
⁄¨ ³·«
§¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·
¦²±·µ²¯ °²§∏¯¨
旋转扫描
控制模块
• ²·¤·¬²±
¶¦¤± ¦²±·µ²¯
°²§∏¯¨
温度数据
检测模块
× °¨³¨µ¤·∏µ¨
§¤·¤·¨¶·
°²§∏¯¨
微根系图像
处理模块
ƒ¬±¨ µ²²·¶
¬°¤ª¨ ³µ²¦¨¶¶¬²±
°²§∏¯¨
微根系参数
检测模块
ƒ¬±¨ µ²²·¶
³¤µ¤° ·¨¨µ¶·¨¶·
°²§∏¯¨
帮助模块
‹¨¯³
°²§∏¯¨
图 u 植物微根系图像监测系统软件框图
ƒ¬ªqu °¯ ¤±·©¬±¨ µ²²·¶¬°¤ª¨ °²±¬·²µ¤±¤¯¼¶¬¶¶¼¶·¨° ¶²©·º¤µ¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨
u 图像采集单元的设计
211 图像采集单元系统分析
图像采集单元是本系统最关键的环节 o只有准确获取高质量的微根系图像才能进行正确的分析 o进而给
出准确的微根系生长信息 ∀传统的图像获取方法是在透明管内装有微型 ≤≤⁄摄像装置 o由于微根系图像是
uut 林 业 科 学 wt卷
图 v 线阵 ≤≤⁄图像采集单元
ƒ¬ªqv ¬±¨ ¤µ≤≤⁄¬°¤ª¨ ¶¨¯¨ ¦·¬²± ¦¨¯¯
t1旋转扫描 !竖直位移驱动机构
•²·¤·¬²±! √ µ¨·¬¦¤¯ §¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨· §µ¬√¨
°¤¦«¬±¨ ~u !x1 导向定位机构 Š∏¬§¨
³²¶¬·¬²± °¤¦«¬±¨ ~v1 线阵 ≤≤⁄ 元件
¬±¨ ¤µ ≤≤⁄ ¦²°³²±¨ ±·~w1 线光源
¬±¨ ¤µ¯¬ª«·¬±ª¶²∏µ¦¨ ~y1 玻璃或塑料
微根管 Š¯ ¤¶¶²µ³¯¤¶·¬¦°¬±¬µ«¬½²·µ²±q
利用 ≤≤⁄摄像头伸入地下透明管拍摄而得到的 o因此要采集到清晰的微根系
图像 o就要对 ≤≤⁄摄像头进行精确定位 ∀一般采用三维运动机械传动机构实
现 o可以对 ≤≤⁄摄像头进行升降 o周向旋转以及对焦运动 ∀通过监视器显示
≤≤⁄摄像头采集的图像相应调整摄像头的位置 o从而获得所需要最佳的图像
采集位置 ∀升降运动机构的实现主要依靠升降电动机上的齿轮带动齿条运
动 ∀周向运动主要由周向旋转电机来实现 o周向旋转电机带动金属框架结构
及其上的 ≤≤⁄摄像头和负责摄像头调焦的对焦电机一起做周向转动 ∀对焦
运动主要由对焦电机来完成 o该对焦电机的转子为齿轮轴 o与齿条配合来带动
滑块沿滑杆运动 o从而将电机的旋转运动转化为摄像头的直线运动 ∀这种获
取图像的方法在原理上是可行的 o但在实现方面存在以下几点问题 }一是机械
结构复杂 o且由于透明管直径的限制加工和安装非常困难 ~二是由于需采用微
型 ≤≤⁄摄像头 o而微型摄像头在近距内可视范围很小 o要拍摄大面积微根系
图像需不断调整摄像头位置 ~最后还需将摄像头在不同位置获取的图像进行
拼接合成整幅图像 o操作复杂且容易丢失图像信息 o同时需花费很长时间 ∀
鉴于传统方法存在以上问题 o本文提出了新的采用线阵 ≤≤⁄获取图像的
方法 o图像获取单元结构如图 v所示 ∀将线阵 ≤≤⁄固定在精密回转支架上 o
同时采用线状照明光源 o线阵 ≤≤⁄和光源都紧贴透明微根管壁安装 o工作时
控制电机带动圆柱状支架以一定的速度作匀速圆周运动 o这样当电机转动一
图 w ≤„vvt{≤∞型 „Π⁄转换卡
ƒ¬ªqw ≤„vvt{≤∞·¼³¨ „Π⁄¦²±√¨ µ¶¬²± ¦¤µ§
周就可以获取一幅图像k胡秀娟等 oussvl ∀
212 图像采集 ΧΧ∆元件及图像采集卡
本系统采用东芝公司的 ×≤⁄tusy≥˜° 高灵敏度线阵
≤≤⁄o其主要参数如下 ∀像敏单元数目 }u tys像元 ~像敏单元
大小 }tw Λ° ≅ tw Λ° ≅ tw Λ°k相邻像元中心距为 tw Λ°l ~光
敏区域 }采用高灵敏度 °‘结作为像敏单元 ~时钟 }u相kx∂l ~
内部电路 }包含采样保持电路 o输出预放大电路 ~封装形式 }
uu脚 ⁄Œ°封装 ∀
图像采集采用 „⁄{ p ‹型高速线阵 ≤≤⁄数据采集卡 o原
理见图 w ∀其 „Π⁄转换器采用 ≤„vvt{≤∞o转换速度快 o转换
时间不大于 yz ±¶o工作频率可达 tx  ‹½∀利用高速 „Π⁄转
换器和卡上设置大容量内存的技术 o完全适合 ×≤⁄tusy≥˜°
高灵敏度线阵 ≤≤⁄实现环微根管壁扫描图像处理k王庆有 ousssl ∀
图 x 线阵 ≤≤⁄微根系图像
ƒ¬ªqx ¬±¨ ¤µ≤≤⁄ ³¯¤±·©¬±¨ µ²²·¶¬°¤ª¨
以上系统较传统的图像采集方法有如下优点 }首先机构简
单 o没有复杂的调整环节 o便于安装在直径很小的透明根管内 ~其
次由于可采用大尺度k有效深度为 vu °°l线阵 ≤≤⁄o当透明管直
径为 xs °°时 o电机做一次回转运动就可获取约 vu °° ≅ txs °°
范围内的微根系图像采集 o省去了图像拼接 o同时提高了图像获
取速度 o提高图像质量 ~采用线阵 ≤≤⁄还可以消除采用普通微型
摄像头获取图像时产生的畸变 o因而无需对其进行标定 ∀图 x为
基于线阵 ≤≤⁄采集的微根系图像 ∀图像质量满足基于分形理论
的图像处理要求 ∀
v 植物微根系的数字图像识别
利用数字图像处理技术基于可视化软件平台 ∂¬¶∏¤¯ ≤ n n编
程技术对线阵 ≤≤⁄采集的微根系图 x进行基于分形理论的图像识别和参数分析计算 ∀图 y为图 x经过分形
vut 第 v期 刘九庆等 }基于线阵 ≤≤⁄植物微根系图像监测分析系统
图 y 分形处理后微根系图像
ƒ¬ªqy ƒ¬±¨ µ²²·¶¬°¤ª¨ ¤©·¨µ©µ¤¦·¤¯ ³µ²¦¨¶¶¬²±
处理后的微根系二值图 ∀因为每个像敏单元的面积为 tw Λ° ≅ tw
Λ° o通过相关数学模型既可对参数进行定量分析 ∀
311 微根长度
根的长度测量有 u种方法 }一是在透明管上标记栅格 o在采集
到的图片上能得到根与栅格的交点 o从而计算出根的长度 ~二是通
过图像处理软件实现 o当根部的图像载入此软件时 o便有了栅格标
记 o软件会根据根与栅格的节点自动计算出根的长度 ∀其原理如
下 }因为图像细化是在不改变图像像素拓扑连接性关系的前提下 o
连续地剥落图像的外层像素 o使之最终成为单像素宽的过程 o所以
本系统所进行的细化基本保留了根系的长度信息 ∀可以通过数学
方法统计细化骨架图中的像素 o再乘以像素之间的距离便可得到
根系的长度 ∀由于本软件系统的图像细化是在 { p连通模式下进
行的 o如图 zk¤l所示任何一次迭代的中心元素与相邻元素之间的
图 z {连通示意图
ƒ¬ªqz { ≤²±±¨ ¦·¬²±©¬ª∏µ¨
距离不全相等 ∀假设任一中心像素沿水平和垂直方向上与相邻像素
间距离为 t o则该像素沿斜线方向上的距离为 u ∀根据图 zk¥l所示的
方向码的不同 o我们认为两相邻像素间的方向码若为偶数 o则这两像
素间的距离为 t ~若为奇数 o则这两像素间的距离为 u ∀利用数学统计
学方法及 ∂ ≤ n n 实现 o可分别得到奇 !偶方向码出现的次数 Ν奇 和
Ν偶 o则根长度的计算公式为
Λ € k u Ν奇 n Ν偶l Β ktl
其中 }Β为长度标定系数 o在此 Β € s1stw °°∀ Ν奇 € ut ~Ν偶 € uts ∀
则 }Λ€ v1vy °°∀
312 微根表面积及直径的计算
微根系表面积计算可以根据指定监测根系图像处理后置 t数目的总和来确定 o即图 y中指定根系为白
色部分的面积 o由图像处理系统检测出该区域的像敏单元数目总和即可 o则有 }
Σ € ΝΞΨ n σξψ € { |wy ≅ s qstw ≅ s qstw € t qzxv w °°u kul
其中 } Σ为根表面积 o°°u ~ ΝΞΨ为像素数目总和 ~σξψ为单一像敏单元面积 o°°u ∀
则有平均微根直径 δ¤√ } δ¤√ € ΣrΛ € t qzxv wΠv qvy € s qxu °°
w 小结
本文提出并设计的基于线阵 ≤≤⁄植物微根系图像监测分析系统可以直接观测到微根系 o消除图像畸
变 o无需对 ≤≤⁄进行标定 o简化系统 o提高图像采集质量 ~扩大微根管内观测采集范围 o一次环扫描面积为 vu
°° ≅ txs °° o同时具备沿微根管深度监测功能 ~系统运用分形理论进行图形处理 o效果良好 ~系统操作简便 o
可以自动完成扫描过程 o也可人工手动扫描 ~系统采用基于∂ ≤ n n平台开发 o稳定可靠 o人机对话界面 ∀
参 考 文 献
胡秀娟 o汤晓华 qussv1 植物根系图像监测分析系统的设计 q林业机械与木工设备 ovtkttl }uw p u{
王庆有 qusss1≤≤⁄应用技术 q第一版 q天津 }天津大学出版社 owy p zt
≤«¨ ±ª • o≤²¯ °¨¤± ⁄ ≤ o…²¬∞qt||s1 •²²·§¼±¤°¬¦¶o³µ²§∏¦·¬²± ¤±§§¬¶·µ¬¥∏·¬²±¬± ¤ªµ²¨ ¦²¶¼¶·¨°¶²±·«¨ Š¨ ²µª¬¤³¬¨§°²±·∏¶¬±ª °¬±¬µ«¬½²·µ²±¶q „³³¯
∞¦²ouz }x|u p ysw
Š¬¯¯ • „ o¤¦®¶²± • …qusss1 Š¯ ²¥¤¯ ³¤·¨µ±¶²©µ²²··∏µ±²√¨ µ©²µ·¨µµ¨¶·µ¬¤¯ ¦¨²¶¼¶·¨°¶q ‘¨º °«¼·²¯ otwz }tv p vt
‹ ±¨§µ¬¦® • o°µ¨ª¬·½¨ µŽ≥ qt||v1 °¤·¨µ±¶²©©¬±¨ µ²²·°²µ·¤¯¬·¼¬±·º²¶∏ª¤µ°¤³¯¨©²µ¨¶·¶q‘¤·∏µ¨ ovyt }x| p yt
²«±¶²±  Š o׬±ª¨¼ ⁄ × o°«¬¯¯¬³¶⁄o ετ αλqusst1„§√¤±¦¬±ª©¬±¨ µ²²·µ¨¶¨¤µ¦«º¬·« °¬±¬µ«¬½²·µ²±¶q∞±√¬µ²±°¨ ±·¤¯ ¤±§∞¬³¨µ¬° ±¨·¤¯ …²·¤±¼owx }uyv p u{|
¤∏¨±µ²·« • ŽoŠ¬¯¯ • „ qussv1 ×∏µ±²√ µ¨²©µ²²·¶¼¶·¨°¶qŒ±}‹¤±¶Žo∞µ¬¦ • o ∂¬¶¶¨µk∞§¶l q •²²·∞¦²¯²ª¼q≥³µ¬±ª¨µp∂ µ¨¯¤ª …¨ µ¯¬± ‹ ¬¨§¨ ¥¯¨µªoyt p |s
²∏¶¨ ‹ ≤ o⁄¤√¬§  ∞o „¯ ¤± ‘qusss1 „¶¶¨¶¶¬±ªµ²²·§¨¤·«¤±§µ²²·¶¼¶·¨° §¼±¤°¬¦¶¬± ¤¶·∏§¼ ²©ªµ¤³¨ ¦¤±²³¼ ³µ∏±¬±ªq ‘¨º °«¼·²¯ oktwzl }tzt p tz{
‘²²µ§º¬­®  o¤ª¨µ„ oƒ¯ ²µ¬¶qt|{x1 „ ±¨ º §¬°¨ ±¶¬²±·²²¥¶¨µ√¤·¬²±¶¬± °¬±¬µ«¬½²·µ²±¶}¤¶·¨µ¨²¶¦²³¬¦√¬¨º ²±µ²²·³«²·²ªµ¤³«¶q°¯¤±·¤±§≥²¬¯o{y }wwz p
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