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文档简介

DSP原理与应用PrincipleandApplicationofDSP长沙师范学院信息科学与工程学院09第九章TMS320C6748在图像处理中的应用学容图像几何变换(缩放与旋转)图像增强与边缘检测123习内VPIF视频采集与LCD显示DSP为什么适合图像处理——本章知识地图图像处理是典型的密集计算:滤波、卷积、变换,运算量大、实时性要求高。·DSP针对密集计算、滤波、卷积、FFT等操作做了指令与架构优化,并具有专门的数据处理指令;·DSP能快速执行图像滤波、边缘检测、图像压缩等复杂算法,适用于实时图像处理应用。数字图像处理的两类基本操作:①像素值的变换——主要改变像素值的大小:直方图均衡、对比度调整、灰度变换等;②几何变换——主要改变像素坐标值:旋转、平移、仿射变换、透视变换等。本章三大知识块:·算法层9.1几何变换(缩放/旋转)→9.2直方图均衡化→9.3边缘检测(Canny)·数据来源9.4基于VPIF总线的摄像头(OV2640)数据采集·数据出口LCD显示驱动(光栅控制器+帧缓冲区+DMA引擎)9.1数字图像的几何变换——总体思路定义:数字图像的几何变换是将原图像中的坐标位置映射到新图像中的新坐标位置。关键两步:①坐标映射——由几何变换公式算出目标点对应的原图坐标;②重采样(插值)——原图坐标通常不是整数,需要用插值算法确定该点的像素值。图像的缩放:通过增加(放大图像)或减少(缩小图像)像素数量,实现图像的尺寸调整。·缩小(下采样subsampled):从原图像的像素矩阵中“筛选/合并”像素,减少行列数;·放大:在原图像的像素矩阵间隙中“补充”像素,从而增大行列数。图像的旋转:将原图像的像素围绕某一中心点按指定角度旋转映射到新图像的目标位置,再通过“重采样”确定新位置的像素值,最终形成旋转后的图像。9.1.1图像缩放1、图像缩小下采样常用的缩小方法有三种:(1)最近邻下采样法原理:按照缩放比例选取原图像中位置最近的像素。优点:计算速度快;缺点:易丢失细节,边缘锯齿明显。(2)平均/加权下采样法原理:按缩放比例将原图像划分为多个“像素块”,取块内像素的平均值/加权平均值作为目标像素。优点:边缘平滑、无明显锯齿;缺点:细节模糊。(3)双线性下采样法原理:基于线性插值,利用周围四个像素的加权平均值来计算新的像素值——找到目标像素。2、图像放大常用的图像放大的方法主要有:最近邻插值法、双线性插值法、双三次插值法。(1)最近邻插值法将目标图像中的每个像素映射到原始图像中的对应位置,然后对映射坐标做四舍五入取整,取最近的整数点坐标处的点的颜色作为目标像素值。特点:速度最快、实现最简单,但放大后有明显锯齿。9.1.1图像缩放

9.1.1图像缩放

9.1.1图像缩放缩小与放大的像素网格示意缩小=“筛选/合并”:行列数减少,像素变少,图像尺寸变小;放大=“补充”:在像素间隙插值补出新像素,行列数增加,图像尺寸变大。不论缩小还是放大,都必须用插值算法重新计算目标尺寸下每个像素的灰度/颜色值,确保缩放后图像尽可能保留原有的视觉特征(轮廓、细节)。9.1.2数字图像的缩放实例【例9-1】任务:实现灰度图像的放大与缩小功能。本例程是对BMP图像实现缩放1.5倍、0.5倍。核心代码函数原型与参数:Zoom(unsignedchar*OImage,unsignedchar*NewImg,intImgWidth,intImgHeight,floatfXZoomRatio,floatfYZoomRatio)·OImage原图地址、NewImg目标图地址;·ImgWidth/ImgHeight原图宽高;·fXZoomRatio/fYZoomRatio宽/高方向缩放倍数。算法三步:①计算新图像宽高;②由目标坐标反算原图坐标;③越界判断+取像素值。voidZoom(unsignedchar*OImage,unsignedchar*NewImg,intImgWidth,intImgHeight,floatfXZoomRatio,floatfYZoomRatio){inti,j;intintCapX,intCapY;intnewIMGWidth;/*新图像的宽*/intnewIMGHeight;/*新图像的高*//*计算新图像的宽高*/newIMGWidth=(int)((ImgWidth*fXZoomRatio)+0.5);newIMGHeight=(int)((ImgHeight*fYZoomRatio)+0.5);for(i=0;i<newIMGHeight;i++){for(j=0;j<newIMGWidth;j++){/*计算出对应原图的坐标(最近邻)*/intCapX=(int)(j/fXZoomRatio+0.5);intCapY=(int)(i/fYZoomRatio+0.5);/*判断原图坐标是否在原图范围内*/if((intCapX>=0)&&(intCapX<ImgWidth)&&(intCapY>=0)&&(intCapY<=ImgHeight)){/*传送位图数据*/*(NewImg+i*newIMGWidth+j)=*(OImage+intCapY*newIMGWidth+intCapX);}else{*(NewImg+i*newIMGWidth+j)=0xFF;}}}}9.1.3数字图像的旋转——坐标系与两种映射思路应用背景:图像旋转是数字图像处理的基本操作之一,广泛应用于医学影像、遥感图像、游戏开发等领域。数字图像旋转:将图像中每个像素点(x,y)围绕旋转图像中心(x0,y0)按逆时针方向旋转一定角度后,映射到新位置(x′,y′)的过程。角度约定:通常约定正角度为逆时针,负角度表示顺时针旋转;旋转中心:通常选择图像中心,x0=width/2,y0=height/2。图像旋转的核心是解决像素坐标的映射问题,存在两种基本思路:前向映射:遍历原图像的每个像素(x,y),通过旋转公式计算其在目标图像中的位置(x′,y′),并把像素值赋给(x′,y′)。逆向映射:遍历目标图像的每个像素(x′,y′),通过旋转的逆变换计算其在原图像中的对应位置(x,y),再通过插值获取像素值。逆向映射的三个步骤:(1)平移坐标系,将旋转中心从原点移动到图像的中心点;(2)绕图像中心旋转,计算指定像素旋转后的坐标;(3)还原坐标位置。旋转的逆向映射公式

【例9-2】任务:实现灰度图像旋转。函数原型:Rotate(unsignedchar*OImage,unsignedchar*NewImg,intImgWidth,intImgHeight,floatfAngle)参数说明:·OImage原始图像地址;·NewImg旋转后的目标图像地址;·ImgWidth/ImgHeight原图宽高;·fAngle图像旋转的角度。9.1.4数字图像的旋转算法实例核心代码:逆向映射循环体for(i=0;i<newImgHeight;i++)for(j=0;j<newImgWidth;j++){/*新图像中(i,j)对应于原图像(intCapX,intCapY)*/intCapX=(int)(j*cosAngle+i*sinAngle+f1+0.5);intCapY=(int)(i*cosAngle-j*sinAngle+f2+0.5);/*判断是否在原图范围内*/if((intCapX>=0)&&(intCapX<ImgWidth)&&(intCapY>=0)&&(intCapY<ImgHeight))/*传送亮度信号*/*(NewImg+i*newImgWidth+j)=*(OImage+intCapY*ImgWidth+intCapX);else*(NewImg+i*newImgWidth+j)=0xFF;}9.2数字图像直方图均衡化——要解决什么问题(1)实际问题的来源由于光照条件、拍摄设备等因素的影响,拍摄图像常出现灰度分布集中、对比度不足、细节难以分辨等问题——图像“灰蒙蒙”,看不清细节。(2)什么是图像的直方图图像的直方图是描述图像灰度级分布情况的统计图表:·横轴表示灰度级(通常为0~255);纵轴表示该灰度级的像素数量或出现的概率;直方图的形状和分布能够反映图像的对比度、亮度分布及灰度集中度等信息。(3)什么是直方图均衡化直方图均衡化技术通过对图像的像素灰度级进行重新分配,使图像中不同灰度级的像素分布更加均匀,从而实现增强图像对比度的效果,使图像中的细节信息更加清晰地展现出来。

本质:把原始图像中集中分布的灰度范围“拉伸”到整个可用的灰度区间。9.2.1数字图像的直方图

9.2.2直方图均衡化——三阶段算法

【例9-3】直方图均衡化InteEqualize()任务:实现灰度图像直方图均衡化。三段式算法:①统计直方图;②求CDF并生成映射表;③查表重新赋值。/*①统计各灰度级的直方图*/for(i=0;i<ImgHeight;i++)for(j=0;j<ImgWidth;j++){temp=*(unsignedchar*)(OImage+i*ImgWidth+j);count[temp]++;}/*②计算CDF③生成灰度映射表*/for(i=0;i<256;i++){temp=0;/*初始化为0*/for(j=0;j<=i;j++)temp+=count[j];/*累加→CDF分子*//*计算对应的新灰度值*/grayMap[i]=(unsignedchar)((float)temp*255/area+0.5);}/*进行灰度均衡,重新赋值*/for(i=0;i<ImgHeight;i++)for(j=0;j<ImgWidth;j++){temp=*(unsignedchar*)(OImage+i*ImgWidth+j);/*赋新的灰度值(查表)*/*(unsignedchar*)(newImage+i*ImgWidth+j)=grayMap[temp];}9.3数字图像边沿检测——边缘与梯度(1)什么是边缘边缘是图像中最基本、最重要的特征之一,表示图像中像素强度发生急剧变化的区域,通常对应物体与背景的分界、物体的几何轮廓或不同材质的分界线等。图像边缘是分割目标与背景、识别目标形状的核心依据,在计算机视觉、目标识别、图像分割等领域具有广泛应用。(2)检测的核心思路利用微分运算(一阶或二阶)捕捉灰度变化敏感的特性,或通过模板匹配实现对边缘像素的定位。设连续图像函数为f(x,y),通常用梯度值表示像素灰度变化的快慢:图像边缘可视为梯度幅值局部极大值的连通集合。(3)经典边缘检测算法一阶微分算子:Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子;二阶微分算子:Laplacian算子、LoG算子;Canny算子:将边缘检测转化为“带约束的优化滤波器设计”问题,处理流程包括高斯滤波降噪、

9.3.1Canny算子Canny算子边缘检测包括四个步骤:①高斯平滑——抑制白噪声,同时保留边缘高阶矩信息;②梯度计算与方向估计——用Sobel算子求水平与垂直梯度,计算像素点的梯度幅值与方向;③非极大值抑制(NMS)——沿梯度方向比较幅值,只保留局部极大值,把边缘细化至单像素宽;④双阈值检测与边缘链接——用高、低阈值把像素分为强边缘、弱边缘与虚假边缘,再以强边缘为种子连通生长至弱边缘,保证边缘连续性。Canny(1)高斯滤波

Canny(2)梯度计算与方向估计

Canny(3)非极大值抑制·(4)双阈值检测与边缘连接(3)非极大值抑制(NMS)对每个像素(x,y),沿其梯度方向θ(x,y)比较M(x,y)与两侧邻域的幅值;若M(x,y)不是局部极大值,则置M(x,y)=0。作用:实现边缘细化至单像素宽,避免出现“粗边”。(4)双阈值检测与边缘连接双阈值检测:设置高阈值Th和低阈值Tl(Canny推荐的经验比例为Th:Tl=2:1或3:1)。图像像素处理方法:M(x,y)≥Th::强边缘点(直接保留);Tl≤M(x,y)≤Th:弱边缘点(仅在连接强边缘点时保留);M(x,y)<Tl:虚假边缘像素(直接抑制,置为0)。边缘连接:以强边缘为种子,8邻域(或4邻域)连通搜索并“生长”至弱边缘,保证边缘连续性。若弱边缘像素与强边缘像素连通,则保留;若弱边缘像素孤立(不与任何强边缘连通),则抑制。9.3.2基于Canny算子的边缘检测【例9-4】任务:实现图像的边缘检测,并在LCD上显示图像。(1)核心思想——调用TI视觉库VLIB本例程Canny算子边缘处理算法调用了TI公司为C64x+/C674x/C66x处理器开发的视觉库(VLIB)。VLIB内核集合提供了多种视觉分析和处理功能:背景建模与差分、对象特征提取、跟踪和识别、低级像素处理。VLIB库针对C6xDSP内核进行了优化,运行速度比ANSIC编写的代码效率提高了10倍。(2)本例使用的7×7高斯核(gaussian_7x7[49]){0,0,0,0,0,0,0,

0,1,4,6,4,1,0,0,4,16,24,16,4,0,0,6,24,36,24,6,0,0,4,16,24,16,4,0,0,1,4,6,4,1,0,0,0,0,0,0,0,0}【例9-4】VLIB核心调用(四步)四个VLIB函数依次完成Canny的后三步:①VLIB_conv_7x7_i8_c8s7×7高斯卷积;②VLIB_xyGradientsAndMagnitude求Gx、Gy与幅值M;③VLIB_nonMaximumSuppressionCanny3×3核非极大值抑制,按行操作;④VLIB_doublethresholding双阈值+边缘连接。/*①高斯滤波:7x7核,输出像素数按(H-6)*W-6计*/pixelNums=(bmpHeight-6)*bmpWidth-6;VLIB_conv_7x7_i8_c8s(imageData,/*输入图像指针*/scratchData,/*输出图像指针*/pixelNums,/*输出图像总像素数*/bmpWidth,/*输入图像宽度*/(int8_t*)mask_ptr,/*7x7高斯核*/8);/*sum的右移位数*//*②计算梯度,并把图像有效像素调整到图像中央*/pixelNums=(bmpHeight-8)*bmpWidth;VLIB_xyGradientsAndMagnitude(scratchData,gradX+bmpWidth*4+4,/*输出梯度*/gradY+bmpWidth*4+4,/*输出梯度*/gradM+bmpWidth*4+4,/*输出梯度*/bmpWidth,bmpHeight-8);/*将nonMax首末各5行置零(边界无效)*/for(i=0;i<bmpWidth*5;i++){nonMax[i]=0;nonMax[bmpWidth*(bmpHeight-5)+i]=0;}【例9-4】VLIB核心调用(四步)四个VLIB函数依次完成Canny的后三步:①VLIB_conv_7x7_i8_c8s7×7高斯卷积;②VLIB_xyGradientsAndMagnitude求Gx、Gy与幅值M;③VLIB_nonMaximumSuppressionCanny3×3核非极大值抑制,按行操作;④VLIB_doublethresholding双阈值+边缘连接。/*③抑制非极大值:3x3核,操作单位是行而不是像素*/pixelNums=bmpWidth*(bmpHeight-10);VLIB_nonMaximumSuppressionCanny(gradM+bmpWidth*4+4,gradX+bmpWidth*5+5,gradY+bmpWidth*5+5,nonMax+bmpWidth*5+5,bmpWidth-10,/*每行输出像素*/bmpWidth,/*列数*/bmpHeight-8);/*行数*//*④双阈值算法*/VLIB_doublethresholding(gradM+bmpWidth*5+5,nonMax+bmpWidth*5+5,listptr,numItems,bmpWidth-10,bmpWidth,bmpHeight-10,lo,hi,0);【例9-4】显示部分与代码分析

送入LCD显示:灰度→RGB16转换+绘制for(i=0;i<bmpWidth*bmpHeight;i++){*(newBmpBuf+i)=(*(nonMax+i)>>7)*255;/*边缘→黑白*/*(lcd_buf+(i*2+1))=(GRAYTORGB16((*(nonMax+i)>>7)*255))>>8;*(lcd_buf+(i*2))=(GRAYTORGB16((*(nonMax+i)>>7)*255))&0xff;}GrImageDraw_Custom(&g_sContext,lcd_buf,400,80,newLineByte,bmpHeight,IMAGE_FMT_16BPP_UNCOMP);GrImageDraw_Custom(&g_sContext,lcd_buf_old,0,80,lineByte,bmpHeight,IMAGE_FMT_16BPP_UNCOMP);BMP头结构的重填(newm)newm.file.bfType=0x4d42(即"BM");bfSize=54+246×4+newLineByte×newBmpHeight;bfbfOffBits=54+256×4;.biBitcount=8(8位灰度);biClrUsed=biClrImportant=256。调色板:memcpy((void*)newpColorTable,(void*)(m->pColorTable),256*4)。Canny边缘检测算法各阶段输出图像输入图像高斯平滑图像梯度过滤图像非最大抑制图像最终边缘输出9.4基于VPIF视频接口的视频采集

VPIF是专门为了快速有效地处理视频数据而设计的一种接口。主要功能:在处理器与外部视频设备(如CMOS图像传感器、视频解码器、编码器或LCD控制器)之间建立高速、同步的数据通道。支持多种视频数据格式(如BT.656、BT.1120等),并具有高效的缓冲管理机制,能够处理高分辨率视频流。视频接口:两路视频输入通道:通道0、通道1——用于采集外部设备(如CMOS摄像头)的视频流;两路视频输出通道:通道2、通道3——用于把处理后的视频数据输出到外部显示设备(如LCD)。输入能力:支持双路SD(标清)同时采集或单路HD(高清)采集。输出能力:支持输出单路HD显示或画中画(PIP)等多种输出功能。VPIF视频接口功能框图左侧为引脚复用(PinMUXonpad),中间为VPIF模块,右侧为DMAI/F与MEMORY。输入侧(上):·vdata_in_00[7:0]→Rec.656videoreceive(通道0)·vdata_in_01[7:0]→Rec.656videoreceive(通道1)·vdata_in_00[7:0](Y)+vdata_in_01[7:0](C)→Rec.1120videoreceive·raw_vdata_in_00[11:0]+raw_vsync/raw_hsync/raw_field_id→Rawinputreceiver输出侧(下):·Rec.656videotransmit→vdata_out_00[7:0]·Rec.656videotransmit→vdata_out_01[7:0]·Rec.656/Rec.1120videotransmit→vdata_out_00[7:0]、vdata_out_01[7:0]所有通道经DMAI/F与MEMORY双向交换数据。9.4.1VPIF总线工作原理(1)时钟控制VPIF有两个视频输入通道和两个视频输出显示通道;视频输入通道只有时钟输入引脚:VP_CLKIN0、VP_CLKIN1;视频输出通道具备时钟输入引脚和视频输出引脚:VP_CLKIN2、VP_CLKIN3和VP_CLKOUT2、VP_CLKOUT3;每个通道控制寄存器(CnCTRL)都有一个时钟边沿控制位CLKEDGE,控制该通道的时钟输入脚VP_CLKINn;VPIF通过配置通道2控制寄存器C2CTRL或通道3控制寄存器C3CTRL,为通道2或通道3的外部设备提供输出时钟VP_CLKOUT2、VP_CLKOUT3,输出时钟通常与VPIF的输入时钟同频。VPIF场格式与帧格式存储模式(2)存储器接口——两种缓冲区寻址模式,由C0CTRL/C2CTRL的FIELDFRAME位选择场(Field)格式:顶场和底场的数据集分别存储在独立的缓冲区中;顶场和底场缓冲区的起始地址相互独立;顶场和底场缓冲区中每行数据的地址偏移量均为hofst(即CnIMGOFFSET=hofst)。帧(Frame)格式:顶场和底场的数据集在存储器中是交错存放的;底场起始地址=顶场起始地址+hofst;顶场起始地址=底场起始地址−hofst;顶场或底场缓冲区中每行数据的地址偏移量均为hofst×2(即CnIMGOFFSET=hofst×2)。

DMA传输:VPIF总线可通过DMA方式把视频数据传输至DSP的外部存储器(如SDRAM)。DMA传输机制允许数据在不需要CPU干预的情况下在存储器和外设之间快速移动,从而提高了数据传输效率。(3)视频传输(输出通道2/3,支持BT.656或BT.1120协议)视频使能;发送时钟;Y/C复用;(4)视频采集(输入通道0/1,支持BT.656、BT.1120或Raw模式)·采集模式:BT/YC模式:在视频数据流内检测嵌入同步信号;CCD/CMOS(原始数据)模式:在专用VPIF同步引脚上检测同步信号(适用于CCD/CMOS传感器)。·接收时钟:每路接收通道使用输入时钟CLKINn;采集功能使能后,数据在CLKINn的上升沿被锁存;·Y/C复用;9.4.1VPIF总线工作原理(5)原始(Raw)数据采集VPIF总线支持原始(Raw)数据采集功能,能够将相机AFE(模拟前端)的输出信号直接接入CPU的输入端口。通常,相机AFE的输出格式为Raw格式,由RGB分量组成。主要信号定义:raw_h_valid:水平像素有效信号(用作行有效/行同步);raw_v_valid:垂直行有效信号(用作帧有效/场同步);raw_field_id:场识别信号(指示当前为顶场或底场);vin_data_raw[11:0]:原始数据输入,支持8/10/12bit每像素三种位宽。9.4.1VPIF总线工作原理逐行扫描Raw模式时序逐行扫描CCD原始捕获模式:·有效像素数据的判据是raw_v_valid与raw_h_valid同时处于有效电平;·两个有效信号的下降沿分别作为垂直和水平同步事件;用户必须设置图像每行的地址偏移;·时序参数(图中标注):水平消隐minimum=21[clk];有效数据周期minimum=2[clk];垂直消隐min.=3lines;帧消隐min.=369[clk]。隔行扫描Raw模式时序隔行扫描始捕获模式:·垂直有效信号raw_v_valid的下降沿被视为垂直同步信号,水平有效信号raw_h_valid的下降沿被视为水平同步信号;·场标识raw_fid在raw_v_valid的上升沿被检测;逐行扫描CCD原始捕获模式

(6)场/帧中断·中断目的:使处理器确定更新VPIF模块地址寄存器的时序;中断发生的时刻与V-sync不同步,它是在VPIF模块与VBUS之间最后一次数据传输完成时产生的;VPIF向CPU发送的中断事件包括:FRAM0、FRAM1、FRAM2、FRAM3和ERROR。(7)VPIF总线引脚分配视频输入数据:DIN[11:0]12位并行数据总线;DIN[12]保留;DIN[13]raw_field_id;DIN[14]raw_h_valid;DIN[15]raw_v_valid;时钟信号:CLKIN0(通道0输入时钟)、CLKIN1(通道1输入时钟);视频输出数据:DOUT[15:0]16位并行数据总线;时钟信号:CLKIN2/CLKOUT2(通道2输入/输出时钟)、CLKIN3/CLKOUT3(通道3)。9.4.1VPIF总线工作原理9.4.3OV2640CMOS摄像头概述OV2640是OmniVision公司推出的1/4英寸200万像素的视频传感器:分辨率可达1600×1200;支持RAWRGB、YUV、RGB565及JPEG等多种输出格式;在UXGA标准下帧率可达15帧/秒,在输出CIF格式下最高帧率可达60帧/秒。OV2640CMOS摄像头内部结构复杂,主要模块包括——图像传感器阵列(1632×1232)、10位ADC;图像信号处理器(ISP)、微控制器(Microcontroller);输出格式模块(OutputFormatter)、压缩引擎(CompressionEngine);SCCB(SerialCameraControlBus,相机串行控制总线)、数字视频端口(DigitalVideoPort);时序产生与控制逻辑模块、PLL。OV2640CMOS摄像头接口设计引脚说明电源类:AVDD模拟电源、SVDD传感器阵列电源、DVDD芯片内核数字电源、EVDD内部调节器电源;地类:DOGND数字视频端口地、AGND模拟信号地、SGND传感器阵列地;参考类:VREFN/VREFH内部模拟信号参考(各使用0.1μF电容接地);控制类:PWDN掉电模式使能(高有效)、FREX快照触发器(用于启动快照序列)、STROBEFLASH控制输入/输出引脚、RESETB系统复位引脚(低有效);时钟类:XVCLK时钟输入引脚、PCLK像素时钟输入引脚;总线类:SIO_D(SCCB数据线)、SIO_C(SCCB时钟线)、HREF(行同步信号)、VSYNC(场同步信号)、Y0~Y9(像素数据输出端口)。

VPIF与OV2640硬件接口电路接口座J3为FFC40P连接器,实现摄像头与C6748的连接。供电:VDD_5V_MAIN接入2、49脚;复位:uP_RESETOUTn→4脚;I²C:I2C0_SCL(11脚)、I2C0_SDA(13脚)——与摄像头SCCB总线对接,用于配置与复位摄像头;时钟:VPIFCLKIN0→21脚(对应摄像头PCLK);数据:VPIF_DIN7/DIN5/DIN3/DIN1(一组)与VPIF_DIN6/DIN4/DIN2/DIN0(另一组)分别接摄像头Y0~Y9像素数据线;同步:VPIFDIN15_VSYNC→35脚、VPIFDIN14_HSYNC→33脚,分别对应帧同步与行同步信号。OV2640CMOS摄像头工作时序(1)SCCB总线时序——配置通道·起始信号:在SIO_C

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