Como construir um sistema de apresentação de Dichoptic que inclui um Tracker do olho

Behavior

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Summary

Propusemos recentemente um método que permite a apresentação de estímulo visual dichoptic e olho binocular simultaneamente de controle1. A chave é a combinação de um tracker do olho infravermelho e os correspondentes espelhos infravermelho-transparente. Este manuscrito fornece em profundidade de uma protocolo para configuração inicial e operação diária.

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Qian, C. S., Brascamp, J. W. How to Build a Dichoptic Presentation System That Includes an Eye Tracker. J. Vis. Exp. (127), e56033, doi:10.3791/56033 (2017).

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Abstract

A apresentação de estímulos diferentes para os dois olhos, apresentação de dichoptic, é essencial para estudos envolvendo a visão 3D e supressão interocular. Há uma crescente literatura sobre o valor experimental exclusivo das medidas da pupila e oculomotoras, especialmente para a pesquisa sobre supressão interocular. Embora a obtenção de medidas de acompanhamento de olho assim beneficiaria estudos que usam dichoptic apresentação, o hardware essencial para apresentação de dichoptic (por exemplo, espelhos) muitas vezes interfere com olho de alta qualidade, acompanhamento, especialmente quando se utiliza um olho em vídeo rastreador. Recentemente descrevemos uma instalação experimental que combina um sistema de apresentação de dichoptic padrão com um tracker do olho infravermelho usando espelhos infravermelho-transparente1. A instalação é compatível com monitores padrão e rastreadores de olho, fácil de implementar e acessíveis (da ordem de US$ 1.000). Relativo aos métodos existentes tem os benefícios de não exigir equipamentos especiais e posando alguns limites sobre a natureza e a qualidade do estímulo visual. Aqui nós fornecemos um guia visual para a construção e a utilização da nossa instalação.

Introduction

Sob condições de visualização normal, cada um dos nossos olhos recebe uma entrada visual ligeiramente diferente. Esta entrada é então processada para produzir uma representação tridimensional, coerente do mundo. Apresentação de Dichoptic, a prática de forma independente, controlando a entrada apresentada para cada um dos dois olhos, assim, permite aos pesquisadores estudar como os seres humanos reconstruir uma representação tridimensional de duas imagens da retina bidimensional2 ,3,4. Além disso, se imagens dos dois olhos são muito diferentes, esta combinação interocular falha e observadores em vez disso relatam a percepção de uma única das imagens de cada vez enquanto o outro permanece reprimido, em fenômenos como a rivalidade binocular5 e contínua supressão flash6. Pesquisadores de tal supressão interocular, usam também, apresentação de dichoptic, neste caso para examinar questões relacionadas a temas como o locus neural da consciência7, seleção perceptual8,9e inconsciente processamento de10.

Dinâmica de olhar e aluno é registrada para fins múltiplos em pesquisas sobre comportamento humano e percepção. Direção de olhar pode informar sobre, por exemplo, atenção alocação11,10,13 e decisão fazer14, enquanto o tamanho da pupila pode revelar aspectos do processamento visual15, 16, tarefa noivado17ou inteligência fluida18.

Combinando o olho segue com apresentação de dichoptic é útil na pesquisa em, por exemplo, três dimensões (3D) percepção19,20,21,22 ou oculares respostas para visual entrada durante supressão interocular23,24,25. Por exemplo, movimentos oculares foram encontrados para revelar o processamento inconsciente sem percepção subjetiva durante contínua supressão flash23. Os investigadores clínicos de visuais podem usar a capacidade para controlar ambos os olhos durante a apresentação de dichoptic para investigar doenças oculares que afetam os dois olhos assimetricamente, por exemplo, para monitorar as distorções visuais monoculares e binoculares, ocorrendo em a ambliopia26 e maculopathy27.

Recentemente descrevemos uma configuração1 que permite a combinação de olho em vídeo de alta qualidade acompanhamento e estimulação de dichoptic com pequena limitação no tamanho ou cor dos estímulos, e avaliamos o seu desempenho. Abaixo nós resumirá a construção e a utilização desta configuração.

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Protocol

este protocolo foi aprovado pelo institucional Review Boards da Michigan State University.

1. construção do sistema

  1. lógica
    1. preparar a instalação do espelho, uma variante do clássico Wheatstone estereoscópio 28 ilustrado em Figura 1 , consistindo de dois espelhos posicionados em um ângulo de 45° em relação ao participante ' linha média s. Os espelhos refletem os estímulos de duas telas que são posicionados em lados opostos de uma mesa, de frente para o outro.
    2. Assento um participante na frente de espelhos e mandar ver uma tela diferente, refletida através de um espelho diferente, com cada olho. Para melhores resultados, use um descanso para estabilizar o participante ' cabeça de s.
    3. Posicionar um tracker do olho de baseado em vídeo infravermelho-sensíveis, incluindo uma câmera e um iluminador, na frente do participante, mas por trás dos espelhos. O tracker do olho é representado por uma caixa na Figura 1.
      Nota: Um desafio ao tentar rastrear os olhos em configurações normais deste tipo, é que os olhos são bloqueados por espelhos.
    4. Use dois espelhos de frente-superfície, frequentemente anunciados como " frios espelhos " (ângulo incidente: 45°), que dispõem de reflectância quase completa de comprimentos de onda visíveis e transmissão quase completa de comprimentos de onda do infravermelho próximo (ver tabela 1 para obter detalhadas informações sobre os espelhos).
      Nota: Esses espelhos podem ser obtidos através de empresas que fornecem equipamentos ópticos para fins científicos e industriais, que normalmente lista componentes como estes como ' frios espelhos ' ou como um tipo de ' espelhos dicroicos ' (veja mais detalhes em materiais / Tabela de equipamentos). < tr >
      1 de instalação Setup 2
      espelhos dimensões 10.10 × 12.70 cm 10,10 x 12,70 cm
      reflectância 400 ~ 690 nm 425 ~ 650 nm
      transmissão 750 ~ 1200 nm 800 ~ 1200 nm
      eye Tracker marca pesquisa-final Eye Tracker Tracker do olho do cliente-grau
      transmissão 890 ~ 940 nm cerca de 850 nm

      Tabela 1. Detalhes das duas versões da instalação com os quais trabalhamos.
      O tracker do olho ' faixa de comprimento de onda de transmissão de s é coberta por espelhos ' faixa de transmissão em um ângulo de incidência de 45°, mas fora de sua escala de reflectância.
  2. Estrutura da instalação do
    1. construir a instalação em cima de uma mesa. Além dos espelhos e tracker do olho, consiste apenas de três elementos personalizados feitos de papelão (ver Figura 2 para um guia de montagem) e lojas da fonte dois monitores de tela plana no monitor-armas disponíveis do escritório normal.
    2. Elementos do painel de fibras
      1. construir a estrutura da instalação de três componentes do painel de fibras: um componente central e referência de duas placas em cada lado (ver Figura 1 para posicionamento geral, tabela 2 para dimensões detalhadas e a Figura 2 para um guia de montagem de cada componente). Pintura de todas estas peças em preto fosco para reduzir a dispersão de luz.
        Nota: O componente central (ver Figura 2B e 2D) detém a espelhos e tracker do olho. Ambos estão no mesmo planalto, mantendo assim o tracker do olho em participantes ' nível dos olhos.
      2. Colocar o elemento superior deste componente tal que deixa 8 cm de profundidade na parte da frente da mesa. Tal arranjo permite espaço suficiente para o participante ' rosto s quando estabilizado no apoio de cabeça e evita a condensação sobre os espelhos durante a expiração, enquanto minimiza a distância entre o participante ' s olhos e os espelhos para maximizar o possível uso do participante ' campo visual de s.
      3. Posicionar as duas placas de referência em linha reta abaixo os monitores (ver Figura 1 para o posicionamento e a Figura 2 painéis A e C para um guia de montagem) de fácil calibração manual das telas. Observe que o deslocamento aparente na Figura 1, entre a tela e a placa é devido à profundidade limitada sugestões da imagem; as placas estão em linha reta abaixo os monitores em ambos os lados.
      4. Alinhar exactamente os tempo horizontais com as bordas da mesa, enquanto as verticais longas deixar 4 cm além da frente da mesa para facilitar a estabilização de uma placa de calibração (veja abaixo) para estas placas. As duas pequenas verticais garantirá a ficar tempo vertical vertical como referência para os monitores.
      5. , Opcionalmente, usar um pedaço de papelão como uma tábua de calibração (ver Figura 3). Neste caso, depois de obter uma posição ideal de um monitor, posicione a placa de calibração contra a placa de referência e indicam as posições de ambos o quadro de referência e o monitor na placa de calibração, enquanto ele está no lugar (no exemplo de < forte classe = "xfig" > Figura 3, ripas de madeira fornecem estas indicações).
      6. Sempre que este desejado a posição do monitor é perdida (acidentalmente ou porque outras experiências exigem uma posição diferente), recuperar esta posição usando as marcas na placa de calibração para colocar a placa de calibração volta no mesmo local relativo ao quadro de referência que tem uma posição fixa sobre a mesa. Mover o monitor novamente a linha com as marcas apropriadas (consulte a etapa 2.1.1. para obter detalhes).
        componente dimensões (cm) número Observação
        componente Central < / TD > 80 × 25 × 2 1 topo Horizontal
        23 × 25 × 2 1 Horizontal inferior
        21 × 32 × 2 1 Central vertical
        2 × 25 × 32 1 vertical frontal
        Placas de referência 61 × 11 × 2 2 tempo horizontal
        66 × 29 × 2 2 tempo vertical
        2 × 11 × 15 4 vertical pequena

        Tabela 2. Detalhes dos componentes do painel de fibras.
    3. Monitores e espelhos
      1. posicionar a instalação em cima de uma mesa de escritório padrão.
      2. Montar dois monitores de tela plana em braços de monitor padrão fixados ao lado da mesa (tanto o quadro de referência e a mesa de aperto). Estes braços permitam tradução em três dimensões, bem como a rotação no plano da tela. Monitores CRT convencionais são claramente também é compatível com a instalação, mas não iria pagar a mesma flexibilidade em termos de posicionamento e reposicionamento.
      3. Montar os espelhos em montagens de espelho que são vendidas para o efeito pelos mesmos fornecedores que estoque frios espelhos. Conectar estes suportes para a placa de fibra segurando o espelho participantes ' nível dos olhos. Posição dos espelhos para tocar um 90 ° ângulo no centro, antes o participante ' nariz de s.
    4. Restantes elementos
      Nota: alguns experimentos necessitam de participantes não vendo as telas do canto de seus olhos, para que uma linha direta de visão para as telas (linhas tracejadas na Figura 4A) devem ser evitados.
      1. Nesse caso, criar " antolhos " feito de papelão preto e tiras de espuma acolchoada buraco pintadas de preto e anexá-los para os postos da cabeça descansar (veja Figura 4B). Ajuste os antolhos de altura e ângulo para acomodar os participantes individuais. Se a parede na frente o participante tem alta reflectância, pendurar um pedaço de tecido preto vai ajudar a remediar esta.

2. Usando o sistema de

  1. calibração Hardware
    Nota: O objetivo da calibração é obter um alinhamento satisfatório dos dois monitores para facilitar a fusão dos dois monitores ' imagens para cada participante. Isto pode ser conseguido em duas etapas: calibração de hardware (descrita aqui) e calibração de software (descrito abaixo).
    1. Ao usar uma placa de calibração, conforme descrito acima, alinhá-lo com uma das placas de referência, segurá-lo no lugar com uma pinça se necessário, e em seguida, mova o monitor correspondente a se alinhar com as linhas de referência desejado no painel calibração. Os monitores devem ser paralelos uns aos outros, e cada um deve ser em linha reta acima da sua placa de referência.
    2. Quando usando antolhos, movê-los para o participante ' s nível dos olhos e gire-os ligeiramente em direção a linha média, ou seja, mais interno, em comparação com a orientação dos monitores. Certifique-se de que cada olho pode ver o estímulo todo visual no espelho sem ver nada disso diretamente. Transformar os antolhos na direção, e não longe da linha mediana minimizará os participantes ' exposição aos outros entrada visual.
  2. Calibração software
    1. desde que os participantes podem variar em sua posição de olho em relação os espelhos apesar do uso de um descanso, calibrar mais antes de fazer experiências. Esta parte é mais facilmente feita no software, ou seja, sem mover a instalação ' s peças qualquer ainda mais. Existem dois métodos possíveis.
      1. Para o primeiro, apresentam um ponto em cada uma das duas telas em alternância, e instruir o participante a eliminar a mudança de posição percebida, movendo o ponto em uma das telas (ou ambos em direções opostas).
      2. Para o segundo método, instruir o participante a alinhar os quadros de estímulos experimentais em vez de dois pontos para que ambos os olhos ' fundamental para a experiência particular de campos visuais são alinhados.
    2. Após a aplicação de qualquer método, centro dos estímulos no experimento sobre o resultando na tela posiciona. Outros aspectos da configuração exibe e estímulos para apresentação de dichoptic em geral pode ser encontrada em outros lugares 5.

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Representative Results

Após a calibração descrita no protocolo, realizamos um procedimento de calibração validação sem problemas com os espelhos no lugar. A eficácia do método é claramente ilustrada pela Figura 5, que mostra imagem da câmera (usando um olho de fim de pesquisa sistema de rastreamento) com os espelhos no lugar. Os dois conjuntos de linhas paralelas ao longo do nariz dos participantes e as linhas acima as sobrancelhas são as bordas dos espelhos, mas, no entanto, a cara é tão clara dentro desse quadro, como é lá fora. Isto destaca a falta de perda de sinal em comprimentos de onda, gravado pela câmera. Uma avaliação formal mostrou anteriormente aluno suave busca resultados equivalentes com espelhos e sem espelhos1, saccade e tamanho. Nós descrevemos uma parte representativa dessa avaliação.

Um pequeno experimento foi realizado com apenas um espelho no lugar para comparar os resultados com e sem o espelho. O participante fez os saques para locais diferentes na tela. O tracker do olho não perca qualquer amostras para cada olho. As correlações médias no ângulo horizontal de olhar e olhar vertical ângulo foram 0,99 (ver Figura 6).

Quanto custa?

Em um laboratório que já tem os materiais padrão olho de monitoramento como um tracker do olho, um apoio de cabeça e monitores, o preço aproximado dos componentes adicionais chegasse a US$ 1, 000. Este preço compara-se favoravelmente a algumas alternativas, tais como óculos de proteção de sistemas29 aquando da publicação (2017). Espelhos: $400; os titulares do espelho: $150; papelão, cola, etc.: $100; monitorar os braços: $300. O custo de um tracker do olho pode variar de $100 para mais de US $25.000, dependendo de fatores como a precisão e a taxa de amostragem (ver mais opções em 30).

Bem como isso funciona para rastreadores de olhos diferentes?

Dois tipos de trackers olho infravermelho anteriormente foram avaliados em termos da qualidade do olho dados1. Eles são um tracker do olho de pesquisa-final montado na área de trabalho e um tracker do olho da classe de consumidores, cada um em combinação com um par de espelho ligeiramente diferente (ver tabela 1 para obter detalhes). Especificações do produto sugerem que ambos os rastreadores devem funcionar bem com esta configuração, e isto é corroborado pelo avaliação publicado1. Mais opções para rastreadores de olho podem ser encontradas em 30.

Como evitar a interferência de iluminador infravermelho do tracker olho?

O comprimento de onda da luz transmitida pelo iluminador infravermelho do tracker olho se estende para a faixa visível. Participantes, portanto, às vezes vejo a matriz vermelho ou pontos através dos espelhos, especialmente durante o procedimento de calibração validação quando a tela é na maior parte preta. A severidade da preocupação varia de acordo com o projeto experimental particular, por exemplo, evitar usar a cor vermelha no estímulo diminuirá a possibilidade de confusão potencial. Além disso, experimentadores podem aumentar a luminância do fundo para que os pontos vermelhos são dificilmente visíveis, e alguns trackers de olho permitem o poder do iluminador para ser recusado. Além disso, em casos onde o estímulo de interesse abrange uma parte relativamente pequena da tela, o iluminador pode ser movido para que não se sobrepõem com esta parte.

Qual é o tamanho máximo do campo de visão?

A configuração atual poderia cobrir mais de 30 graus no ângulo visual tanto verticalmente e horizontalmente.

Quanto tempo leva para construir o setup e calibrar cada participante?

Construindo o sistema leva cerca de um dia, se todos os materiais e equipamentos estão disponíveis. Demora menos de 10 min para calibrar a cada participante no sistema de rastreamento de olho e dichoptic apresentação.

Figure 1
Figura 1 . Ilustração esquemática da instalação do.
A instalação é sobre uma mesa de escritório, e o participante está sentado na mesa e olhando para um espelho diferente com cada olho. Embora não seja estritamente necessário, melhores resultados são obtidos através do apoio de cabeça do participante com um descanso montado na lateral da mesa. (Note que o deslocamento aparente entre a tela e a placa do lado direito é devido à profundidade limitada sugestões na imagem). A figura tem sido adaptada a partir de 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 . Um guia de montagem de placas de referência (painéis A e C) e o componente central (painéis B e D).
Painéis A e C, apenas mostram o quadro de referência que está no lado esquerdo da instalação; o quadro de referência do lado direito é a imagem de espelho do esquerdo, ou seja, com as pequenas placas verticais apontando para longe da linha mediana. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 . Placa de calibração.
Neste exemplo, ripas de madeira assumem um papel que também pode ser executado por linhas desenhadas. Um vertical Lattes e um rastreamento de ripas horizontais na esquina do monitor quando está na posição correta. Outra vertical Lattes na parte inferior da placa se alinha com o lado mais curto do quadro de referência (placa tempo vertical) quando é na posição correta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 . Demonstração dos antolhos.
Os antolhos impedem uma linha direta de visão para as telas (linhas tracejadas). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

p-together.within-página = "1" >Figure 5
Figura 5 . Quadro de visão da câmera durante a apresentação de dichoptic, fracamente mostrando as bordas dos espelhos, mas caso contrário não mostrando nenhuma obstrução devido as espelhos.

Figure 6
Figura 6 . Os dados coletados de representante participantes usando o tracker do olho de pesquisa-final durante uma tarefa saccade.
As linhas verticais tracejadas indicam mudanças na posição do alvo. A figura tem sido adaptada a partir de 1.

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Discussion

Apresentamos um guia passo a passo para a construção e a utilização de uma instalação experimental que permite o acompanhamento simultâneo dos dois olhos e dichoptic apresentação de estímulos visuais. Em muitas situações onde a estimulação dichoptic é usada, a questão crítica prevenção eficaz olho de monitoramento é que os espelhos para apresentação de dichoptic bloqueiam a visão de trackers de olho em vídeo. Isto é resolvido aqui usando espelhos infravermelho-transparente e um tracker do olho infravermelho-sensíveis. Esta configuração permite que os pesquisadores de visão 3D, supressão interocular ou pesquisa clínica coletar dados de acompanhamento de olho de alta qualidade enquanto estiver usando grandes, arbitrariamente colorido estímulos.

Esta configuração pode ser modificada com base nas necessidades experimentais. Se os estímulos de ambos os olhos são pequenos o suficiente5 para caber em uma única tela, quatro espelhos com uma tela podem ser suficiente para atingir o olho de monitoramento com apresentação de dichoptic. Nesse caso, dois espelhos de frente-superfície mais (infravermelho-transparência não exigida) devem ser colocados periférica e paralelo com os espelhos atuais, refletindo a estímulos visuais na tela para os espelhos atuais (ver referência 5 para colocação de espelhos em um estereoscópio de espelho padrão).

Existem algumas limitações desta configuração experimental. Uma é a potencial contaminação visual do iluminador do controlador olho mencionado nos resultados representativos. Em segundo lugar, se a cor do estímulo visual é irrelevante, óculos anaglyph podem ser uma escolha melhor em termos de custo, especialmente se não for crítico que separação das imagens dos dois olhos não é sempre completa quando usando óculos anaglyph.

Em comparação com técnicas que dependem de gravação não-ópticos diretamente dos olhos, por exemplo, electro-eculografia31,32,33 e a bobina scleral técnica19,34, 35, o método proposto é menos invasivo e permite pupillometry. Por outro lado, alguns participantes têm olhos que são difíceis de capturar usando gravação em vídeo do olho, portanto, nesses casos, métodos de gravação directa são preferidos. Nosso método também deve ser comparado com outros métodos que dependem de um sinal visual. Por exemplo, olho de rastreamento pode ser alcançado com sistemas de óculos de proteção que têm câmeras integradas no olho peças36 ou a cabeça montado exibe37. Goggle sistemas têm a vantagem de que não necessitam de ser participantes de permanecer ainda, mas a resolução espacial e temporal de tais sistemas pode ser baixa em comparação com o método proposto. Também é possível fazer a gravação em vídeo olho através das lentes do anaglyph óculos (óculos, por exemplo, vermelho e verde ou vermelho-azul)20,38,,39, que tem a desvantagem de limitar as cores que podem ser usadas em os estímulos visuais mostrados para o participante. Separação de imagens dos olhos também pode ser conseguida usando óculos polarizados estéreo30 ou obturador estéreo ativo óculos22,40,41. Tais métodos são mais fácil de implementar do que é proposto, mas a qualidade de estimulação visual pode sofrer de diafonia estereoscópica.

Um grupo usado com êxito uma instalação combinando um estereoscópio de espelho-4 padrão com um rastreador de olho24,25 , seguindo um olho através de uma lacuna entre os espelhos. Além de permitir que só o olho monocular de rastreamento, esse método tem o inconveniente de que a gravação através desta abertura limita o tamanho de espelhos usados e, portanto, o campo de visão, e que requer posicionamento muito específico do tracker do olho. Como resultado, a rotina de instalação pode levar até 20 min (Miriam Spering, comunicação pessoal, 7 de maio de 2017). Em comparação, o método proposto permite um campo de visão de mais de 40 graus, acompanhamento de ambos os olhos e isso leva em torno de 10 min para terminar o processo de calibração toda.

Há uma tendência na pesquisa envolvendo a supressão interocular para usar respostas Pupilares e oculomotoras, além de, ou em substituição dos, pressione o botão tradicional respostas36,42,43. Por um lado, a dinâmica de olho pode revelar processamento inconsciente, enquanto pressiona o botão do sinal normalmente consciência subjetiva24,25. Além disso, baseando-se nas respostas de olho pode evitar potencial confunde associado com respostas manuais em experimentos26,33. Nossa configuração fornece uma solução ideal para aqueles que desejam prosseguir esta combinação de supressão interocular e olho de rastreamento.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgements

Os autores Obrigado Pieter Schiphorst por seu papel na concepção da instalação e por fornecer os gráficos das figuras 1 e 3 e Marnix Naber para discussão útil e sua contribuição para a Figura 6. Os autores reconhecem também pesquisadores e editores para reutilização Figura 1 e 6 de um artigo publicado1.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Mirrors in Setup 1 Edmund Optics  #64-452 dimensions 10.10 × 12.70 cm; Reflectance: 400 ~ 690 nm; Transmission: 750 ~ 1200nm
Mirrors in Setup 2 Edmund Optics Item discontinued dimensions 10.10 × 12.70 cm; Reflectance: 425 ~ 650 nm; Transmission: 800 ~ 1200nm
Other Mirror Option Edmund Optics #62-634 dimensions 12.50 × 12.50 cm; Reflectance: 425 ~ 650 nm; Transmission: 800 ~ 1200nm
Eye Tracker in Setup 1 SR Research Ltd., Mississauga, Ontario, Canada Eyelink 1000 Transmission: 890 ~ 940 nm
Eye Tracker in Setup 2 The Eye Tribe Aps, Copenhagen, Denmark Eye Tribe (item discontinued) Transmission: around 850 nm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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