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CN102667579A - 用于图像的修正、测量和显示的方法和系统 - Google Patents

用于图像的修正、测量和显示的方法和系统 Download PDF

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CN102667579A
CN102667579A CN2010800419316A CN201080041931A CN102667579A CN 102667579 A CN102667579 A CN 102667579A CN 2010800419316 A CN2010800419316 A CN 2010800419316A CN 201080041931 A CN201080041931 A CN 201080041931A CN 102667579 A CN102667579 A CN 102667579A
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W·奈斯里
E·R·哈里斯
P·M·史帝文
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NDS Surgical Imaging LLC
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NDS Surgical Imaging LLC
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Abstract

本发明的一个方面是用于显示图像的系统。显示设备包括背光单元以及在背光单元中的第一孔和第二孔。显示设备也包括第一传感器、第二传感器和第三传感器。第一传感器被配置为通过第一孔来测量背光单元的第一亮度值。第二传感器被配置为通过第二孔来测量背光单元的第二亮度值。第三传感器被配置为从显示设备的前部测量第三亮度值。

Description

用于图像的修正、测量和显示的方法和系统
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年9月15日提交的美国申请第61/242,744号的根据美国法典第35章第119条(35U.S.C.§119)的优先权，该专利申请的公开内容通过引用合并于本文中。
发明领域
本发明一般地涉及背光显示系统，例如液晶显示器(LCD)。
通过引用合并
本说明书中提到的所有出版物和专利申请通过引用合并于本文中，一如每一单独的公布或专利申请被具体地和个别地通过引用合并于本文中。
发明背景
存在若干控制背光亮度的方法以及相似数量的测量显示器与特定响应曲线(诸如，DICOM灰度级显示函数(GSDF))的一致性的方法。这些方法中的每一种都具有在精确地控制亮度并向用户正确地报告结果方面的局限性。假定总是从显示器的前面中心测量显示器的响应曲线，则所有无需使用分离的光度计就自动进行该操作的方法均是通过基于来自被放置在其他地方的传感器的数据的关于中心响应函数的推理来进行来操作。
第一方法使用安装在显示器的中心的单个光度计，该单个光度计仅读取通过显示器的背光单元(BLU)中的孔的背光亮度。这种方法简单，并且测量显示器的中心处的亮度。它具有无法直接从显示器的前面进行观察的令人遗憾的缺点，且因此不可以检测显示器单元的差异。
第二方法使用光度计(或其他光检测器)从离开活动显示区域的一侧的显示器的前面进行测量。这种方法具有当用户关心在显示器的中心处的图像时在活动区域的侧面测量显示器的缺点。与在监视器的中心处相比，典型的背光(且尤其是冷阴极荧光灯或CCFL)的老化在监视器的边缘处显著不同，引起测量漂移。
第三方法使用在显示器的前面的传感器以及在BLU后面的传感器两者。这种方法为背光控制和一致性测试提供一些附加的数据，但是保留了其他两个方法的大多数缺点，即，背光测量不测量前面，前侧测量不测量中心，且两种测量都遭受漂移。
概述
本发明的一个方面涉及用于显示用于医疗用途的图像的系统。该系统实时地将显示器的亮度水平维持在固定的亮度，并测量显示器与诸如DICOM等的显示器标准的一致性。在一种实施例中，该系统使用三个传感器来修正在背光显示器的边缘处进行的读数。各传感器可以被放置为一个在BLU的中心之后、一个在显示器的前面的边缘上、且第三个传感器在直接在前传感器之后的BLU之后。前传感器的放置使得对活动图像的干扰最少化，且使得图像品质最大化。本发明不依赖于各传感器的这种具体的放置或数量，而是更一般地带有提供反馈以便改善前传感器读数的传感器系统。
本发明的一个方面涉及测量和监视显示系统的系统和方法。该系统和方法包括显示系统与诸个标准(例如但不限于DICOM)的一致性的实时测量和修正。显示系统修正由显示系统的老化引起的任何变化。尤其，显示系统修正可以改变随时间和老化条件而变化的亮度和响应函数。显示系统提供不显眼的测量和控制。这种方法不同于例如在投影显示器中用来控制多个光源的其他多传感器方法。(参见美国专利第7,618,147号和美国专利公布第2006/0132910号。)
本发明的另一方面涉及用于收集数据和评估传感器数据以便取得较高精度的新颖技术。软件和硬件技术允许更好的数据收集和更好的解释，用于从显示器的中心推理出读数。这种方法部分地取决于在此略述的传感器的配置，并且部分地取决于对所观察到的传感器数据的解释。传感器放置和配置可以引起亮度读数受到以偏离直角的角度命中传感器的光的影响。当测量其中亮度具有显著的角度分量的LCD显示器时，离角光贡献尤其可能被误解。不同于先前技术(参见，例如，美国专利第7,038,186号)，这种方法解决了离角贡献。
本发明的另一方面涉及环境光的测量。前传感器可以被校准为基于传感器读数中的变化来推理环境光而不改变显示器配置。这种方法显著地不同于用于测量环境光的传统的单传感器和多传感器方法。在先前技术中，添加传感器以便直接地测量环境光(参见美国专利申请第2008/0078921号)或通过LCD间接地测量环境光(参见美国专利第7,068,333号和美国专利申请第2006/0181673号)。这种方法具有测量从显示器反射的环境光而不是直接地测量环境的优点。所反射的环境光对修正显示器的显示而言是重要的。
在一个方面中，提供用于显示图像的系统。显示设备包括背光单元以及背光单元中的第一孔和第二孔。显示设备也包括第一传感器、第二传感器和第三传感器。第一传感器被配置为通过第一孔来测量背光单元的第一亮度值。第二传感器被配置为通过第二孔来测量背光单元的第二亮度值。第三传感器被配置为从显示设备的前部测量第三亮度值。
第一孔的至少一部分处于显示设备的背光单元的中心。第二孔的至少一部分处于显示设备的背光单元的边缘。
显示设备包括测试区域和活动区域，第三传感器被配置为测量测试区域的亮度。第三传感器还被配置为测量从测试图案区域反射的环境光。
显示系统包括被耦合到测试区域的测试图案生成器。该系统也包括被耦合到测试区域和测试图案生成器以便评估和监视显示设备与所指定的输出显示函数的一致性的一致性测试系统。一致性系统被耦合到主机计算机设备，主机计算机设备适于评估和监视显示设备与所指定的输出显示函数的一致性。
进一步，显示系统包括被耦合到第一传感器、第二传感器和第三传感器的背光控制系统。背光控制系统被配置为调节显示设备的亮度。
在另一方面中，提供监视和维持显示系统的方法。该方法包括通过第一孔来测量显示系统中的背光单元的第一传感器读数。该方法也包括通过第二孔来测量背光单元的第二传感器读数并且从显示系统中的测试图案区域测量第三传感器读数。该方法进一步包括收集第一、第二和第三传感器读数并基于所收集的传感器读数来调节显示系统的亮度且确定背光单元的正确设置。测量传感器读数可以包括测量第一亮度值、第二亮度值和第三亮度值。
该方法进一步包括测量从显示系统上的测试图案区域反射的环境光并且补偿显示系统的离角亮度。
更进一步，该方法包括评估和监视显示系统与所指定的输出显示函数的一致性。
本发明的另一方面是检定显示系统的方法。该方法包括在显示系统上设置测试图案并在显示系统中将测试区域设置为第一驱动电平。该方法进一步包括通过第一孔来测量显示系统中的背光单元的第一传感器读数、通过第二孔来测量背光单元的第二传感器读数、从显示系统的前部测量第三传感器读数以及测量显示系统的外置光度计读数。测量各读数中的至少一个包括测量亮度值。
该方法也包括基于所测量的读数来确定检定数据并且将检定数据存储在显示系统中。
如果存在更多的待测驱动电平，该方法包括在显示系统的前面上设置测试图案以及在显示系统中将测试区域设置为下一驱动电平。此后，测量所有传感器和光度计读数。基于所测量的读数来确定检定数据并在迭代过程(如果有的话)之后将其存储在显示系统上。
附图简述
在下面的权利要求中以特殊性来陈述本发明的新颖特征。通过参考陈述其中利用了本发明的原理的说明性实施例的下列详细描述以及附图，将获得对本发明的特征和优点的较好理解，附图中：
图1示出了显示系统的一种实施例。
图2使用流程图来示出显示系统的检定。
图3示出了来自前传感器的较宽视野。
图4示出了反射到前传感器的环境光。
详细描述
本发明的显示系统可以被用于医疗系统领域，医疗系统领域提供信息并要求图像的精确显示。在这些医疗系统中，验证显示函数与诸如DICOM等的行业标准的一致性往往是重要的。显示函数是数字像素值到显示器亮度的映射。诸如DICOM等的标准规定了显示函数以便使得医疗图像中的可见细节最大化，并且当显示在一致的监视器上时提供一致的图像呈现。
图1示出了显示系统的一种实施例。图1中，显示设备具有LCD活动区域2和测试图案区域3。测试图案区域3可以是在活动区域外的显示设备的专用区域，或是显示器的活动区域的一部分。包括控制逻辑22和控制硬件23的BLU控制单元能够驱动显示器的总体亮度。优选地被安装在BLU 1的背面的中心中的孔13上的传感器10可以读取显示器的中心处的背光的亮度。被安装在测试图案区域3上的传感器12可以读取测试图案区域的亮度。优选地被安装在直接在前传感器12之后的BLU的背面中的孔14上的传感器11可以读取显示器的边缘处的背光的亮度。传感器控制电路21收集来自传感器10、传感器11和传感器12的传感器读数。传感器数据由BLU控制逻辑22来聚集，并被用来确定BLU控制硬件23维持预设亮度的正确设置。
通过监视显示控制20，也可以在监视器外的主机计算机30的控制下使用传感器11和传感器12。主机计算机30可以读取在测试区域3(其具有由主机计算机30所设定的亮度图案)上的前传感器12，以便测试显示器与诸如DICOM等的灰度级显示函数的一致性。主机计算机30也使用侧传感器11来修正由于BLU老化所引起的显示器的中心的亮度(由传感器10读取)以及显示器的侧部的亮度的差异。
在面板的检定过程期间，例如在生产之后且在将监视器用于医疗环境之前，可以使用外置光度计或类似的测量设备31。所使用的光度计31被具体地选择为具有非常窄的视角，因此来自LCD的离角亮度对读数贡献最少。确定背面传感器10读数与光度计31读数的线性相关度。也确定侧传感器11读数与光度计31以及背面传感器10读数的类似的线性相关度。测试区域3可以被设定为任何用于测试的图案，尽管测试区域常常被设定为单纯色或灰色阴影。通过在显示帧缓冲器中设置数字值来选择灰色阴影。这种数字值设定了液晶显示器元素或像素的驱动电压或驱动电平。像素的驱动电平引起液晶扭曲，这确定了在该像素可见的光的量。因此，驱动电平可以是被提供给LCD的电信号的电平或幅度。为了取得唯一亮度，LCD的每一像素可以具有特定的驱动电平。
最终，借助于处于相同的驱动电平的对中心测试图案的诸个光度计31读数，建立在前传感器12读数和测试区域3驱动电平之间的函数关系。离角亮度贡献是特定的LCD 2的稳定特性，且依赖于LCD的构造和测试图案的驱动电平。因为离角贡献是随时间稳定的，作为先前未知和未利用的事实，对于任何给定的驱动信号，该贡献将是一致的。在前传感器读数和测试区域驱动电平之间的这种函数关系可以被表征为函数F(x，y)，使得对于任何前传感器12读数x和测试区域3驱动电平y，可以精确地预测处于相同的驱动电平的中心测试图案上的真实光度计读数。这种根据经验导出的F(x，y)可以被存储在设备内，例如，存储为查找表，并在监视器的使用期间被用来调整光水平，如下面所解释的。
函数F(x，y)允许对前传感器12读数的精确解释，对来自LCD 2的亮度的离角贡献做出了补偿。过去，对传感器的离角贡献的修正是有挑战的。迄今所提供的方法通常依赖于减少到达传感器的离角光的量(参见美国专利第7,038,186号)。在此描述的传感器检定方法即使在存在离角亮度贡献时也允许对前传感器12数据的直接读取和解释。
显示控制20也可以以与远程主机计算机30相同的方式在监视器内部引进一致性。以此这方式，显示器可以自我监视其一致性状态，向用户指示其状态，将其传输给主机计算机(30)，或保持其自己的历史以便用于将来的状态请求。
传感器10、11和12可以是简单的传感器或被完全校准的光度计。传感器10、11和12可以是(但不限于)直接读数光度计，以及使用光纤的非直接单元，或是经由手动或自动装置的临时移动的光度计(即，雨刮器(wiper)单元)。传感器10和11可以被放置在显示器内部。
在所示出的实施例中，在用于观察BLU亮度的传感器10底下的孔被定位为使得由传感器10来测量显示器的活动区域的中心(在x方向以及y方向)。孔13常常是圆形的，但可以是任何形状。
在所示出的实施例中，在用于观察BLU亮度的传感器11底下的孔14被定位在显示器的边缘处。孔可以被定位为使得传感器11可以测量直接位于测试区域3和传感器12底下的显示器，尽管这不是必要的，只要孔的位置提供足以估计测试区域底下的BLU的老化影响的信息。
测试区域3是专用测试图案区域，或是临时从活动显示区域可用的活动显示区域的一部分。测试区域3从显示控制单元20接收亮度图案。测试区域3不同于显示器的活动区域的其余部分，这是因为可以迫使测试区域保持单个亮度值，而不考虑从主机计算机30发送的正常的像素数据。对测试区域3的控制允许显示控制20可靠地读取和解释前传感器12。测试区域3常常是矩形的，但可以是任何形状。
可以通过在图2的流程图中所描述的过程100来检定该系统。在准备显示器(例如，通过预热并稳定)102之后，外置光度计(理想地被校准为所要求的国家标准和国际标准)在显示器的前面中心上读取处于第一驱动电平的测试图案，如步骤104和步骤106中所示出。同时，将测试区域设定为相同的图案，通常是纯灰色阴影。
通过步进调试(stepping through)完全范围的灰色阴影或亮度值来进行检定，如循环108和循环110中所示出。从前传感器以及从校准光度计读取读数。从整个读数集合来导出函数，以使得给定在灰色的测试区域阴影y上的来自前传感器的读数x，得到与对显示在显示器的中心中的相同灰色阴影的光度计测量相等的相应值F(x，y)。该函数被存储在显示控制单元中，如步骤112中所示出。该函数表示LCD和每一个传感器在每一个灰色阴影或驱动电平处的行为的检定。因此，检定数据可以是对具体的显示器来说唯一的信息，该信息定义了将使得显示器符合DICOM GSDF(或等效的标准)的对LCD驱动电平的改变。因而，使用监视器来读取并存储，以使得可以在任何时刻再次调用特性数据以从在已知的测试区域驱动电平上的前传感器读数预测中心光度计读数，并据此管理显示器。可为具有平均响应(被存储在监视器或主机计算机中)的一组显示器收集特性数据，但是这是显著次等的解决方案，因为补偿离角光贡献的关键取决于特定的监视器的特性而不是通用类别的监视器的特性。
初始的系统检定也以相似的方式从BLU传感器10和11收集读数以便导出F(x，y)。BLU 1亮度直接地确定通过LCD 2所观察到的亮度。在背光传感器读数和光度计读数之间的函数关系通常(尽管并不必定)被假设为简单的线性的关系。BLU 1越亮，LCD 2就越亮。在初始的检定期间由外置光度计31的测量的完全白色因而通常是从中心传感器10读取的BLU 1亮度的简单倍数。该比例关系允许通过读取中心传感器10并通过BLU控制硬件23迭代地调整BLU 1亮度来将LCD 2中心亮度设定为精确的值。通过这种方法，可以稳定背光亮度以便产生一致的显示器亮度。
同样地，如果BLU控制逻辑22也考虑当测试区域3中设定有已知的测试图案时当前的前传感器读数12，则可以进一步增强BLU 1检定和控制的简单模型。在这里，亮度函数F(x，y)被用来判断LCD 2的亮度是否正如对给定的BLU 1亮度所预料的那样。如果不是，则BLU控制逻辑22可以选择修改简单的亮度调整因子来实现背光亮度稳定化。
BLU通常不均匀地老化。通常，BLU的边缘将比中心暗淡得更快。侧传感器11可以通过将在侧传感器11和中心传感器10读数之间的关系与在监视器的检定期间所观察的关系进行比较来提供关于显示器的老化的信息。如果当前的传感器读数引起BLU控制逻辑22怀疑中心传感器10的可靠性，则BLU控制逻辑22可以选择将侧传感器11读数用于背光亮度稳定化。背光亮度稳定化的多传感器方法给予BLU控制逻辑22借助于冗余的传感器读数和用于BLU控制的多种可行的策略的更大的灵活性和鲁棒性性能。
侧传感器11也提供附加的信息以便改善前传感器12读取函数F(x，y)。如果BLU 1由于老化已经向边缘变暗，则侧传感器11可以指示暗淡程度并提供补偿前传感器12读数的信息。多个传感器的组合比先前描述的其他前传感器系统提供更多信息且因而提供更可靠的测量机制。
离开LCD的光具有角度相关性。通常在LCD 2上的任何给定位置的垂直亮度不同于在相同的位置的离角测量。这对许多分散光源来说不是正确的，但这是LCD的公知的特性。包括对LCD传感器读数的离角光贡献将通常无法给出精确的亮度测量(参见图3)。传统的前传感器和光度计读数策略采用技术来使得传感器的受光角变窄，然而，这导致少得多的光到达传感器，使得尤其是在低的光水平下难以得到精确的读数。对于任何给定的制造技术，离角贡献大部分由被施加到液晶的扭曲来确定，该扭曲又由被用来驱动像素的灰色阴影来确定。在这里采用的检定过程不仅在给定的灰色阴影检定显示器的亮度，而且也检定在每一灰色阴影驱动电平的离角贡献。因为灰色阴影是具体选择的和已知的，所以扭曲是已知的，并且因此可以基于所观察的测量而预测离角贡献。
前传感器12检定和读取方法允许该系统得到特别精确的前读数。这部分地是由于将显示器2在中心处的完全响应映射到在前传感器12处所测量的响应的检定过程，以及部分地由于可以使用侧传感器11读数来进行的调整。这种方法的附加增强是包括来自前传感器12的较宽的视野的能力，如图3中所示，这是因为对于任何给定的灰色阴影设置的离角贡献是已知的。因而，可以使用更多的光来进行前传感器读数，使得那些读数更精确。这在进行接近黑色的低亮度水平的测量时尤其如此。
借助于精确的前传感器12读数，显示控制20可以读取在一定范围的灰色阴影上的亮度并将读数与诸如DICOM GSDF等的目标显示函数进行比较。显示控制20可以自动地检查显示函数一致性而无需用户干预。
借助于增强的前传感器读数的精度，在一些情况中，前传感器可以被用来测量命中显示器的环境光。对于一些环境中的一些显示器和诸如DICOM等的一些显示函数标准，在创建理想的显示函数时可以考虑环境光测量。如果前传感器12被设定为测量测试区域3中的黑色图案，超过预期结果的读数可以被归因于环境光。这不是测量环境光的特别精确的方式。然而，估定环境光的要求常常是非常粗糙的，且使用前传感器12来进行测量不仅是充分的，实际上也是优选的，这是因为到达传感器的环境光中的大多数或全部被反射离开LCD2的表面并进入到前传感器12。所反射的环境光(而不是绝对的环境光)是环境光的影响的决定因素，且因而是需要施加的附加补偿的程度的决定因素。图4中示出了本发明的这一方面，图4示出反射202到前传感器12的环境光200。图4中，显著量的入射环境光200可以不是所反射的光202，且因而可以不到达前传感器12。然而，理想的环境光测量可以是所反射的环境光且并不必定是总的环境光。为了增强所反射的环境光的测量，BLU 1可以被关闭，以便移除直接来自LCD 2的任何光。
传感器读数、灰色阴影响应曲线控制以及背光控制中的全部已经被描述为由在监视器内的显示控制单元20来控制。然而，主机计算机30也可以访问所有这种功能性，并以软件而非硬件来提供控制功能。软件也可以简单地监视硬件的行为和状态，并使得该信息对用户或网络应用可用，以便得到更广泛地集成的显示管理。
尽管在此已经示出和描述了本发明的优选实施例，但本领域中的技术人员将明显看出，仅作为示例而提供这样的实施例。本领域中的技术人员将想起在不偏离本发明的前提下的众多变化、改变和替代。应理解，对在此描述的本发明的各种替代方案可以用于实践本发明。预期下列的权利要求界定本发明的范围，且由此覆盖在这些权利要求和它们的等效物的范围内的方法和结构。

Claims (20)

1.一种用于显示图像的系统，包括：
显示设备，包括背光单元以及在所述背光单元中的第一孔和第二孔；以及
第一传感器、第二传感器和第三传感器，其中，所述第一传感器被配置为通过所述第一孔来测量所述背光单元的第一亮度值，其中，所述第二传感器被配置为通过所述第二孔来测量所述背光单元的第二亮度值，且其中，所述第三传感器被配置为从所述显示设备的前部测量第三亮度值。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一孔的至少一部分处于所述显示设备的所述背光单元的中心。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二孔的至少一部分处于所述显示设备的所述背光单元的边缘。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示设备包括测试区域和活动区域，所述第三传感器被配置为测量所述测试区域的亮度。
5.如权利要求4所述的系统，进一步包括被耦合到所述测试区域的测试图案生成器。
6.如权利要求5所述的系统，进一步包括一致性测试系统，所述一致性测试系统被耦合到所述测试区域和所述测试图案生成器，以便评估和监视所述显示设备与所指定的输出显示函数的一致性。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述一致性系统被耦合到主机计算机设备，所述主机计算机设备适于评估和监视所述显示设备与所指定的输出显示函数的一致性。
8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第三传感器还被配置为测量从所述测试区域所反射离开的环境光。
9.如权利要求1所述的系统，进一步包括背光控制系统，所述背光控制系统被耦合到所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器，其特征在于，所述背光控制系统被配置为调节所述显示设备的亮度。
10.一种监视和维持显示系统的方法，包括：
通过第一孔来测量所述显示系统中的背光单元的第一传感器读数；
通过第二孔来测量所述背光单元的第二传感器读数；
从所述显示系统中的测试区域测量第三传感器读数；
收集所述第一、第二和第三传感器读数；以及
基于所收集的传感器读数来调节所述显示系统的亮度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，测量第一传感器读数包括测量第一亮度值。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，测量第二传感器读数包括测量第二亮度值。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，测量第三传感器读数包括测量第三亮度值。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括测量从所述测试区域所反射离开的环境光。
15.如权利要求10所述的方法，进一步包括补偿所述显示系统的离角亮度。
16.如权利要求10所述的方法，进一步包括评估和监视所述显示系统与所指定的输出显示函数的一致性。
17.如权利要求10所述的方法，进一步包括确定所述背光单元的正确设置。
18.一种检定显示系统的方法，包括：
在所述显示系统上设置测试图案并将所述显示系统中的测试区域设置为第一驱动电平；
通过第一孔来测量所述显示系统中的背光单元的第一传感器读数；
通过第二孔来测量所述背光单元的第二传感器读数；
从所述显示系统的前部测量第三传感器读数；
测量所述显示系统的外置光度计读数；以及
基于所测量的读数来确定检定数据，并将检定数据存储在所述显示系统中。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括在所述显示系统的前面上设置所述测试图案并将所述显示系统中的所述测试区域设置为第二驱动电平。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，测量所述读数中的至少一个包括测量亮度值。
CN2010800419316A 2009-09-15 2010-09-15 用于图像的修正、测量和显示的方法和系统 Pending CN102667579A (zh)

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