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JP7609159B2 - Head-up display - Google Patents
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Description

本開示は、車両に搭載されるヘッドアップディスプレイが表示する虚像の歪み補正に関する。 This disclosure relates to correcting distortion of a virtual image displayed by a head-up display installed in a vehicle.

従来のヘッドアップディスプレイとして特許文献1に開示されたものがある。このヘッドアップディスプレイは、画像を表示する表示器から出射された表示光を反射鏡や車両のウインドシールドを反射させ、ウインドシールド越しに表示光の虚像を表示する。このようなヘッドアップディスプレイにおいては、反射鏡やウインドシールドを反射する過程で虚像に歪みが生じる。A conventional head-up display is disclosed in Patent Document 1. This head-up display reflects display light emitted from a display that displays an image off a reflector or the windshield of the vehicle, and displays a virtual image of the display light through the windshield. In such a head-up display, distortion occurs in the virtual image during the process of reflection off the reflector or windshield.

そのため、特許文献1に開示されたヘッドアップディスプレイは、上述した虚像の歪みを補正するため、ワーピングと呼ばれる画像の変形による歪み補正処理機能を有している。Therefore, the head-up display disclosed in Patent Document 1 has a distortion correction processing function that uses image deformation, known as warping, to correct the distortion of the virtual image described above.

特開2011-105306号公報JP 2011-105306 A

しかしながら、アイボックス内の中心点に基づいてワーピング設定値を定めるため、アイボックス内の中心点から視線が外れるほどヘッドアップディスプレイの表示品質が低下するという課題があることを本開示の発明者は認識した。However, the inventors of the present disclosure recognized that because the warping setting value is determined based on the center point within the eyebox, there is an issue in that the display quality of the head-up display deteriorates the further the line of sight deviates from the center point within the eyebox.

本開示は、上述した課題を鑑みて、表示品質の高いヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present disclosure aims to provide a head-up display with high display quality.

本開示のヘッドアップディスプレイは、
画像を表す表示光を出力する表示部と、前記表示部を制御する制御部を備え、前記表示光を車両のウインドシールドに反射させてアイボックスから前記表示光の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
1つの前記アイボックスに対し1つのワーピング設定値が設定され
前記制御部は、前記ワーピング設定値に基づいて前記画像を変形させて前記虚像の歪みを補正し、
前記ワーピング設定値は、以下の通りに設定される:
(a)前記ワーピング設定値は、前記アイボックスの中心点に最適化されたものであり 、且つ、前記アイボックス内の複数の点から視認される前記虚像の評価値の統計的ばらつ きが所定値未満である;あるいは、
(b)(a)が達成されない場合には、前記ワーピング設定値は、前記アイボックスの中心点に最適化されたものでなく、且つ、前記統計的ばらつきが所定値未満である。
The head-up display of the present disclosure includes:
A head-up display including a display unit that outputs a display light representing an image and a control unit that controls the display unit, the display light being reflected by a windshield of a vehicle to allow a virtual image of the display light to be viewed from an eye box,
One warping setting value is set for one of the eye boxes,
The control unit deforms the image based on the warping setting value to correct distortion of the virtual image,
The warping settings are set as follows:
(a) the warping setting value is optimized for the center point of the eyebox , and the statistical variation of the evaluation value of the virtual image viewed from a plurality of points within the eyebox is less than a predetermined value; or
(b) if (a) is not achieved, then the warping settings are not optimized for the eyebox center point and the statistical variation is less than a predetermined value.

本開示によれば、表示品質の高いヘッドアップディスプレイを提供できる。 The present disclosure makes it possible to provide a head-up display with high display quality.

本開示のヘッドアップディスプレイの構成概略図Schematic diagram of the configuration of a head-up display according to the present disclosure. 補正前の画像及びワーピングメッシュを示す図A diagram showing an image before correction and a warping mesh. アイボックス内の各視点位置に対応する虚像を示す図A diagram showing virtual images corresponding to different viewpoints within the eyebox. ワーピングメッシュを算出する手順を示す図A diagram showing the procedure for calculating the warping mesh

本開示のヘッドアップディスプレイを添付図面1-4に基づいて説明する。各図において、車両の左右方向をX方向、車両の上下方向をY方向、車両の前後方向をZ方向として図示する。また、図1において、視覚的に理解しやすいように、表示光PLの主光線を図示する。The head-up display of the present disclosure will be described with reference to the attached drawings 1-4. In each drawing, the left-right direction of the vehicle is illustrated as the X direction, the up-down direction of the vehicle as the Y direction, and the front-rear direction of the vehicle as the Z direction. Also, in FIG. 1, the chief ray of the display light PL is illustrated for easy visual understanding.

ヘッドアップディスプレイHUDは、車両情報(走行速度や各種車両警告、経路案内情報など)を表す表示光PLを車両のウインドシールドWSに投射し、表示光PLの虚像によって車両情報を表示する車載計器である。車両の搭乗者Pは、虚像視認可能領域であるアイボックス内からウインドシールドWSを視認することで虚像を視認することができる。The head-up display HUD is an in-vehicle instrument that projects a display light PL representing vehicle information (driving speed, various vehicle warnings, route guidance information, etc.) onto the windshield WS of the vehicle and displays the vehicle information as a virtual image of the display light PL. A vehicle occupant P can view the virtual image by viewing the windshield WS from within the eye box, which is the area where the virtual image can be viewed.

ヘッドアップディスプレイHUDは、表示光PLを出力する表示部1と、表示光PLをウインドシールドWSに向けて反射する反射部2と、ケース3と制御回路基板を有する。The head-up display HUD has a display unit 1 that outputs display light PL, a reflecting unit 2 that reflects the display light PL toward the windshield WS, a case 3 and a control circuit board.

表示部1は、例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ、あるいは、リアプロジェクション方式のプロジェクタなどの画像表示器である。表示部1は、制御回路基板に制御されて車両情報を表す画像を表示し、この画像から表示光PLを出力する。The display unit 1 is an image display device such as a liquid crystal display, an organic electroluminescence display, or a rear projection projector. The display unit 1 is controlled by a control circuit board to display an image representing vehicle information, and outputs display light PL from this image.

反射部2は、車両の左右方向(図1におけるX方向)に延びる回転軸AXを中心に回転可能な凹面鏡である。The reflecting unit 2 is a concave mirror that can rotate around a rotation axis AX extending in the left-right direction of the vehicle (X direction in Figure 1).

反射部2は、第1の角度から第n(nは2以上の自然数)の角度に回動可能に構成される。反射部2が第1の角度にあるとき、虚像視認可能領域は第1の位置にあるアイボックスEB1に位置し、アイボックスEB1から虚像V1が視認可能になる。また、反射部2が第nの角度にあるとき、虚像視認可能領域は第nの位置にあるアイボックスEBnに位置し、アイボックスEBnから虚像Vnが視認可能になる。つまり、反射部2を回動させることで、虚像視認可能領域をアイボックスEB1からアイボックスEBnの範囲で車両の上下方向(図2におけるY方向)に移動させることができ、搭乗者の視点の高さに合わせて虚像視認可能領域を調節できる。The reflector 2 is configured to be rotatable from a first angle to an nth angle (n is a natural number equal to or greater than 2). When the reflector 2 is at the first angle, the virtual image visible area is located in the eye box EB1 at the first position, and the virtual image V1 is visible from the eye box EB1. When the reflector 2 is at the nth angle, the virtual image visible area is located in the eye box EBn at the nth position, and the virtual image Vn is visible from the eye box EBn. In other words, by rotating the reflector 2, the virtual image visible area can be moved in the vertical direction of the vehicle (Y direction in FIG. 2) within the range from the eye box EB1 to the eye box EBn, and the virtual image visible area can be adjusted to match the height of the passenger's viewpoint.

車両のステアリングに設けられたスイッチ等の操作手段によって虚像視認可能領域の調節指示が制御回路基板に入力されると、制御回路基板に制御されて反射部2は回動し、虚像視認可能領域が調節される。When an instruction to adjust the virtual image visible area is input to the control circuit board by an operating means such as a switch provided on the vehicle's steering wheel, the reflecting part 2 rotates under the control of the control circuit board, and the virtual image visible area is adjusted.

ケース3は、表示部1、反射部2、制御回路基板を収容するケースである。ケース3には、表示光PLをウインドシールドWSに向けて出射する出射開口が形成されている。ケース3の出射開口はアクリル樹脂板などの透光性防塵カバー31によって覆われている。 Case 3 is a case that houses display unit 1, reflector unit 2, and control circuit board. Case 3 has an emission opening that emits display light PL toward windshield WS. The emission opening of case 3 is covered by a translucent dust cover 31 such as an acrylic resin plate.

制御回路基板は、表示部1及び反射部2を制御する演算集積回路(演算部)と、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリ(記憶部)を有する回路基板である。The control circuit board is a circuit board having an arithmetic integrated circuit (arithmetic unit) that controls the display unit 1 and the reflective unit 2, and a non-volatile memory (storage unit) such as a flash memory.

(ワーピング設定値に基づく歪み補正処理)
制御回路基板は、ウインドシールドWSの湾曲形状などに起因する虚像の歪みを補正するため、表示部1に表示させる画像を幾何学変形させるワーピング処理をする。このワーピング処理は、補正前画像OMを格子状に分割したメッシュ領域の各点OPを、ワーピングメッシュ(ワーピング設定値)WMの各点WPに合わせて変形させるものである。このワーピングメッシュWMは、制御回路基板の不揮発性メモリに記憶されている。具体的に例示すると、補正前画像OMを格子状に16分割したメッシュ領域の各点OP(0,0)…OP(4,4)を、ワーピングメッシュWMの各点WP(0,0)…WP(4,4)に対応させ、ワーピングメッシュWMの各領域に補正前画像OMの各分割領域の画像をテクスチャマッピングする。
(Distortion correction process based on warping settings)
The control circuit board performs a warping process to geometrically deform the image to be displayed on the display unit 1 in order to correct distortion of the virtual image caused by the curved shape of the windshield WS. This warping process deforms each point OP of a mesh area obtained by dividing the pre-correction image OM into a lattice shape to match each point WP of a warping mesh (warping setting value) WM. This warping mesh WM is stored in a non-volatile memory of the control circuit board. To give a specific example, each point OP (0,0)...OP (4,4) of the mesh area obtained by dividing the pre-correction image OM into 16 lattice shapes is made to correspond to each point WP (0,0)...WP (4,4) of the warping mesh WM, and the image of each divided area of the pre-correction image OM is texture-mapped to each area of the warping mesh WM.

制御回路基板のワーピングメッシュWMは、反射部2の第1の角度から第nの角度の各角度に1つのワーピングメッシュが設定される。つまり、反射部2が第xの角度にあり虚像視認可能領域が第xの位置にあるアイボックスEBxに対し1つのワーピングメッシュWMxが一意に設定される。 The warping mesh WM of the control circuit board is set with one warping mesh for each angle from the first angle to the nth angle of the reflector 2. In other words, one warping mesh WMx is uniquely set for an eye box EBx where the reflector 2 is at the xth angle and the virtual image visible area is at the xth position.

ここで、反射部2が第xの角度にありアイボックスEBxに対応するワーピングメッシュWMxによって表示部1に表示させる画像を変形した場合において、アイボックス内における視認者の視点の位置によって視認される虚像の歪み度合いにばらつきが生じることを本開示の発明者は認識した。Here, the inventors of the present disclosure recognized that when the reflecting unit 2 is at an angle x and the image displayed on the display unit 1 is deformed by a warping mesh WMx corresponding to the eye box EBx, the degree of distortion of the virtual image perceived varies depending on the position of the viewer's viewpoint within the eye box.

具体的には、アイボックスEBxの中央の点EBx(1,1)から見た虚像Vx(1,1)と、中央の点EBx(1,1)を中心とする矩形の四隅の点EBx(0,0)…EBx(2,2)から見た虚像Vx(0,0)…Vx(2,2)の歪み度合いは異なることを本開示の発明者は認識した。Specifically, the inventors of the present disclosure recognized that the degree of distortion of a virtual image Vx(1,1) viewed from the central point EBx(1,1) of the eye box EBx differs from the degree of distortion of a virtual image Vx(0,0)...Vx(2,2) viewed from the four corner points EBx(0,0)...EBx(2,2) of a rectangle centered on the central point EBx(1,1).

そして、反射部2が第xの角度にあり虚像視認可能領域が第xの位置にあるアイボックスEBxに対し1つのワーピングメッシュWMxを一意に設定する場合、アイボックスEBx内における視認者の視点の位置によって視認される虚像の歪み度合いにばらつきが大きいと、ヘッドアップディスプレイHUDが表示する虚像の表示品質が低下し商品価値が下がるという課題があることを本開示の発明者は認識した。 The inventors of the present disclosure have recognized that when one warping mesh WMx is uniquely set for an eye box EBx in which the reflecting portion 2 is at an angle x and the virtual image visible area is at a position x, if there is a large variation in the degree of distortion of the virtual image viewed depending on the position of the viewer's viewpoint within the eye box EBx, there is a problem in that the display quality of the virtual image displayed by the head-up display HUD decreases, thereby reducing the commercial value.

この課題を解決するため、以下に説明する手順により、アイボックスEBx内における視認者の視点の位置によって視認される虚像の歪み度合いのばらつきが小さいワーピングメッシュWMxを算出する。To solve this problem, a warping mesh WMx is calculated that has a small variation in the degree of distortion of the virtual image perceived depending on the position of the viewer's viewpoint within the eye box EBx, using the procedure described below.

(ワーピング設定値の算出手順)
反射部2が第xの角度にあり虚像視認可能領域が第xの位置にあるアイボックスEBxに対し一意に定めるワーピングメッシュWMxの算出手順を以下に説明する。
(Warping setting value calculation procedure)
The calculation procedure for the warping mesh WMx that is uniquely determined for the eye box EBx in which the reflecting portion 2 is at the xth angle and the virtual image visible region is at the xth position will be described below.

(第1工程S1:ワーピングメッシュWMxの初期値の設定)
アイボックスEBxの中心点(1,1)から視認したときの虚像Vx(1,1)の歪みが最も小さくなるワーピングメッシュWMxを初期値として設定する。設定後、第2工程S2に進む。
(First step S1: Setting the initial value of the warping mesh WMx)
The warping mesh WMx that minimizes the distortion of the virtual image Vx (1, 1) when viewed from the center point (1, 1) of the eye box EBx is set as an initial value. After setting, the process proceeds to the second step S2.

(第2工程S2:虚像の撮像)
アイボックスEBxの各点から視認したときの虚像を撮像する。具体的には、アイボックスEBxの中央の点EBx(1,1)及び、この点を中心とする矩形の四隅の点EBx(0,0)…EBx(2,2)の5点から視認したときの虚像Vx(0,0)…Vx(2,2)を撮像する。撮像後、第3工程S3に進む。
(Second step S2: capturing a virtual image)
A virtual image is captured when viewed from each point of the eye box EBx. Specifically, virtual images Vx(0,0)...Vx(2,2) are captured when viewed from five points, namely, the central point EBx(1,1) of the eye box EBx and the four corner points EBx(0,0)...EBx(2,2) of a rectangle centered on this point. After capturing the images, the process proceeds to the third step S3.

(第3工程S3:虚像の評価)
各虚像Vx(0,0)…Vx(2,2)の表示品質を評価する評価値を算出する。この評価値は、変形前の画像OMを基準に各虚像Vx(0,0)…Vx(2,2)の回転量、拡大縮小量、平行移動量に基づいて算出する。算出後、第4工程S4に進む。
(Third step S3: Evaluation of virtual image)
An evaluation value for evaluating the display quality of each virtual image Vx(0,0)...Vx(2,2) is calculated. This evaluation value is calculated based on the amount of rotation, the amount of enlargement/reduction, and the amount of translation of each virtual image Vx(0,0)...Vx(2,2) with respect to the image OM before deformation. After the calculation, proceed to the fourth step S4.

(第4工程S4:評価の統計的ばらつきを算出)
第3工程S3で算出した評価値の統計的ばらつきを算出する。この統計的ばらつきは、例えば、標準偏差を算術平均で割った変動係数(相対標準偏差)である。統計的ばらつきは、分散や標準偏差であってもよいが、機種の異なるヘッドアップディスプレイを同様の評価基準で扱う観点では、百分率で表される変動係数を用いることが好ましい。算出後、第5工程S5に進む。
(Fourth step S4: Calculating statistical variation of evaluation)
The statistical variation of the evaluation values calculated in the third step S3 is calculated. This statistical variation is, for example, a coefficient of variation (relative standard deviation) obtained by dividing the standard deviation by the arithmetic mean. The statistical variation may be a variance or a standard deviation, but from the viewpoint of treating different types of head-up displays with the same evaluation criteria, it is preferable to use a coefficient of variation expressed as a percentage. After the calculation, the process proceeds to the fifth step S5.

(第5工程S5:算出したワーピングメッシュの評価)
第4工程S4で算出した変動係数からワーピングメッシュWMxを評価し、評価が所定の水準未満の場合はワーピングメッシュWMxを調整する必要があると判断する。具体的には、変動係数が0.1以上である場合にワーピングメッシュWMxを調整する必要があると判断し、第6工程S6に進む。変動係数が0.1未満の場合はアイボックスEBx内のどの位置に視点があっても虚像の歪みのばらつきが少なく表示品質が高いワーピングメッシュWMxであると判断し、第7工程S7に進む。
(Fifth step S5: Evaluation of calculated warping mesh)
The warping mesh WMx is evaluated based on the coefficient of variation calculated in the fourth step S4, and if the evaluation is below a predetermined level, it is determined that the warping mesh WMx needs to be adjusted. Specifically, if the coefficient of variation is 0.1 or more, it is determined that the warping mesh WMx needs to be adjusted, and the process proceeds to the sixth step S6. If the coefficient of variation is less than 0.1, it is determined that the warping mesh WMx has low distortion variation in the virtual image and high display quality regardless of the position of the viewpoint in the eye box EBx, and the process proceeds to the seventh step S7.

(第6工程S6:ワーピングメッシュの調整)
アイボックスEBx内のある点EBx(a,b)から視認したときの虚像Vx(1,1)の歪みが最も小さくなるワーピングメッシュWMxを再計算する。具体的には、第3工程S3で算出した評価値の最も悪いアイボックスEBx内の点に向けて所定距離移動した点を点EBx(a,b)として設定してワーピングメッシュWMxを再計算する。または、第3工程S3で算出した評価値及び第4工程S4で算出した評価の統計的ばらつきから、点EBx(a,b)を算出してもよい。ワーピングメッシュWMxを再計算後、第2工程S2に進む。
(Sixth step S6: Adjustment of warping mesh)
The warping mesh WMx is recalculated so that the distortion of the virtual image Vx(1,1) is minimized when viewed from a point EBx(a,b) in the eye box EBx. Specifically, the warping mesh WMx is recalculated by setting a point EBx(a,b) that is moved a predetermined distance toward the point in the eye box EBx with the worst evaluation value calculated in the third step S3. Alternatively, the point EBx(a,b) may be calculated from the evaluation value calculated in the third step S3 and the statistical variation of the evaluation calculated in the fourth step S4. After the warping mesh WMx is recalculated, the process proceeds to the second step S2.

(第7工程S7:ワーピングメッシュの決定)
反射部2が第xの角度にあり虚像視認可能領域が第xの位置にあるアイボックスEBxのワーピングメッシュとして、第5工程S5で変動係数が0.1未満であったワーピングメッシュWMxを採用する。採用されたワーピングメッシュWMxは、反射部2の第xの角度に対応するワーピングメッシュとして制御回路基板の不揮発性メモリに記憶する。
(Seventh step S7: Determination of warping mesh)
The warping mesh WMx having a coefficient of variation of less than 0.1 in the fifth step S5 is adopted as the warping mesh of the eye box EBx in which the reflector 2 is at the xth angle and the virtual image visible region is at the xth position. The adopted warping mesh WMx is stored in the non-volatile memory of the control circuit board as the warping mesh corresponding to the xth angle of the reflector 2.

上述した第1工程S1から第7工程S7の手順をアイボックスEB1~EBnのそれぞれに対して実行する。The above-mentioned steps from the first step S1 to the seventh step S7 are performed for each of the eye boxes EB1 to EBn.

このように構成することで、アイボックス内における視認者の視点の位置によって視認される虚像の歪み度合いにばらつきが小さく、表示品質の高いヘッドアップディスプレイを提供することができる。 By configuring it in this manner, it is possible to provide a head-up display with high display quality, with little variation in the degree of distortion of the virtual image perceived depending on the position of the viewer's viewpoint within the eyebox.

本開示のヘッドアップディスプレイHUDは、以下の変形をしてもよい。The head-up display HUD of the present disclosure may be modified as follows:

ワーピングメッシュWMxの算出にあたって、遺伝的アルゴリズムなどの進化的アリゴリズムによって算出してもよい。あるいは、反射鏡2の角度によって変化する表示光PLが入射する位置の反射鏡2の曲率やウインドシールドの曲率などのパラメータから重回帰分析によって算出してもよい。The warping mesh WMx may be calculated by an evolutionary algorithm such as a genetic algorithm. Alternatively, the warping mesh WMx may be calculated by multiple regression analysis using parameters such as the curvature of the reflector 2 at the position where the display light PL is incident, which changes depending on the angle of the reflector 2, and the curvature of the windshield.

HUD …ヘッドアップディスプレイ
1 …表示部
2 …反射部
OM …変形前の画像
WM …ワーピングメッシュ(ワーピング設定値)
PL …表示光の主光線
WS …ウインドシールド
EB1~EBn…アイボックス
V1~Vn …虚像
HUD: Head-up display 1: Display section 2: Reflection section OM: Image before deformation WM: Warping mesh (warping setting value)
PL: Main ray of display light WS: Windshield EB1-EBn: Eye box V1-Vn: Virtual image

Claims (4)

画像を表す表示光を出力する表示部と、前記表示部を制御する制御部を備え、前記表示光を車両のウインドシールドに反射させてアイボックスから前記表示光の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
1つの前記アイボックスに対し1つのワーピング設定値が設定され
前記制御部は、前記ワーピング設定値に基づいて前記画像を変形させて前記虚像の歪みを補正し、
前記ワーピング設定値は、以下の通りに設定される:
(a)前記ワーピング設定値は、前記アイボックスの中心点に最適化されたものであり 、且つ、前記アイボックス内の複数の点から視認される前記虚像の評価値の統計的ばらつ きが所定値未満である;あるいは、
(b)(a)が達成されない場合には、前記ワーピング設定値は、前記アイボックスの中心点に最適化されたものでなく、且つ、前記統計的ばらつきが所定値未満である、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
A head-up display including a display unit that outputs a display light representing an image and a control unit that controls the display unit, the display light being reflected by a windshield of a vehicle to allow a virtual image of the display light to be viewed from an eye box,
One warping setting value is set for one of the eye boxes,
The control unit deforms the image based on the warping setting value to correct distortion of the virtual image,
The warping settings are set as follows:
(a) the warping setting value is optimized for the center point of the eyebox , and the statistical variation of the evaluation value of the virtual image viewed from a plurality of points within the eyebox is less than a predetermined value; or
(b) if (a) is not achieved, the warping settings are not optimized for the center of the eyebox and the statistical variation is less than a predetermined value;
A head-up display that features
前記評価値は、前記変形前の画像を基準に、前記虚像の回転量、拡大縮小量、平行移動量に基づいて算出される、
ことを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。
The evaluation value is calculated based on a rotation amount, a scaling amount, and a translation amount of the virtual image with respect to the image before the deformation.
2. The head-up display according to claim 1 .
前記表示光を前記ウインドシールドに反射させる回転可能な反射部を備え、
前記アイボックスは、前記反射部の回転位置に対応してそれぞれ設定される、
ことを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。
a rotatable reflecting portion that reflects the display light onto the windshield;
The eye boxes are set in accordance with the rotational positions of the reflecting parts,
2. The head-up display according to claim 1 .
前記統計的ばらつきが所定値未満であるとは、前記統計的ばらつきの変動係数が0.1The statistical variation being less than a predetermined value means that the coefficient of variation of the statistical variation is 0.1 未満であることを意味する、means less than
ことを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。2. The head-up display according to claim 1 .
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