鄭 昊

（華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

地理信息系統(tǒng) （geographic information system，GIS）是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是最重要的功能是以圖形化的方式展示地圖信息，同時(shí)提供放大、縮小、漫游等地圖瀏覽功能。地圖瀏覽速度將直接影響到使用者的用戶體驗(yàn)，一套能夠提供快速流暢地圖漫游的地理信息系統(tǒng)將會(huì)為用戶帶來(lái)極大方便。地圖瀏覽速度同時(shí)受到多方面因素的影響，如地圖訪問(wèn)引擎的效率、地圖符號(hào)化的速度、地圖注記渲染水平等。根據(jù)影響繪圖效率的因素的不同也存在多種提高地圖繪圖效率的方法，如在地理信息數(shù)據(jù)訪問(wèn)引擎中建立柵格金字塔和空間數(shù)據(jù)索引等。其中一個(gè)重要的手段就是通過(guò)繪圖緩沖區(qū)技術(shù)來(lái)提高地圖瀏覽效率。地理信息系統(tǒng) （二期）（簡(jiǎn)稱TerraMap）是一個(gè)大型的地理信息軟件開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)。本文針對(duì)TerraMap所采用的繪圖緩沖區(qū)技術(shù)就行論述，TerraMap通過(guò)采用繪圖緩沖區(qū)技術(shù)解決了地圖瀏覽、地圖漫游、動(dòng)目標(biāo)顯示、專題圖制作等多種使用方式下的快速繪圖的問(wèn)題。

1 繪圖緩沖區(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 雙緩沖區(qū)

我們知道，如果窗體在響應(yīng)WM＿PAINT消息的時(shí)候要進(jìn)行復(fù)雜的圖形處理，那么窗體在重繪時(shí)由于過(guò)頻的刷新而引起閃爍現(xiàn)象。解決這一問(wèn)題的有效方法就是雙緩沖技術(shù)。因?yàn)榇绑w在刷新時(shí)，總要有一個(gè)擦除原來(lái)圖像的過(guò)程OnEraseBkgnd，它利用背景色填充窗體繪圖區(qū)，然后在調(diào)用新的繪圖代碼進(jìn)行重繪，這樣一擦一寫造成了圖像顏色的反差。當(dāng)WM＿PAINT的響應(yīng)很頻繁的時(shí)候，這種反差也就越發(fā)明顯。于是我們就看到了閃爍現(xiàn)象。我們會(huì)很自然的想到，避免背景色的填充是最直接的辦法。但是那樣的話，窗體上會(huì)變的一團(tuán)糟。因?yàn)槊看卫L制圖像的時(shí)候都沒(méi)有將原來(lái)的圖像清除，造成了圖像的殘留，于是窗體重繪時(shí)，畫面往往會(huì)變的亂七八糟。所以單純的禁止背景重繪是不夠的。我們還要進(jìn)行重新繪圖，但要求速度很快，于是我們想到了使用BitBlt函數(shù)。它可以支持圖形塊的復(fù)制，速度很快。我們可以先在內(nèi)存中作圖，然后用此函數(shù)將做好的圖復(fù)制到前臺(tái)，同時(shí)禁止背景刷新，這樣就消除了閃爍，以上也就是雙緩沖繪圖的基本的思路。所謂 “雙緩沖區(qū)”，顧名思義就是要有兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)叫 “前臺(tái)緩沖區(qū)”，一個(gè)叫 “后臺(tái)緩沖區(qū)”，如圖1所示。這兩個(gè)緩沖區(qū)，總是一個(gè)用于屏幕顯示，另一個(gè)用于后臺(tái)繪圖。當(dāng)兩個(gè)緩沖區(qū)都操作完，再進(jìn)行一次切換，解決閃爍問(wèn)題。

圖1 雙緩沖區(qū)

對(duì)于一個(gè)地理信息系統(tǒng)僅僅通過(guò)雙緩沖區(qū)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到快速瀏覽目的。比如在地圖上進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)擊選取的時(shí)候，用戶看到的效果應(yīng)該是被點(diǎn)擊選中的目標(biāo)會(huì)突出顯示。在這種情況下，如果只有雙緩沖區(qū)技術(shù)，那么在 “后臺(tái)繪圖緩沖區(qū)”進(jìn)行的操作是先把緩沖區(qū)用背景色 （如白色）填充，然后再把窗口中包含的全部要素 （植被、水系、交通、境界等）都重畫一邊，然后再把選中的目標(biāo)用一個(gè)特殊的符號(hào)繪制，最后把繪制好的 “后臺(tái)緩沖區(qū)”與 “前臺(tái)緩沖區(qū)”進(jìn)行交換。在這個(gè)過(guò)程中要把全部地理信息要素重新繪制一遍，這個(gè)過(guò)程是很耗時(shí)的。而對(duì)用戶而言，看到的只是被選中目標(biāo)進(jìn)行了突出顯示，整個(gè)背景地圖完全沒(méi)有變化，因此用戶無(wú)法接受點(diǎn)擊地圖后花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行地圖背景重繪而又看不到地圖背景的變化。

再比如在地圖編輯的過(guò)程中，如果選中一個(gè)居民地層中的一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，然后從已有的位置拖動(dòng)到另一個(gè)位置。在拖動(dòng)的過(guò)程中被拖動(dòng)的目標(biāo)的位置會(huì)不停的變化，在這個(gè)過(guò)程中如果只有雙緩沖區(qū)，那么繪圖過(guò)程將會(huì)很慢。每發(fā)生一次鼠標(biāo)移動(dòng)就會(huì)把 “后臺(tái)緩沖區(qū)”重新用背景色填充，然后把窗口中的全部地圖要素重繪繪制一邊，當(dāng)繪制被編輯目標(biāo)的時(shí)候，將按照新的位置進(jìn)行繪制，最后再把“后臺(tái)緩沖區(qū)”和 “前臺(tái)緩沖區(qū)”進(jìn)行交換完成繪制?？梢钥吹竭@個(gè)過(guò)程中窗口中的全部地圖要素都會(huì)不停的重新繪制，因此繪圖效率會(huì)非常低。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，看到的只是一個(gè)目標(biāo)在移動(dòng)，顯然無(wú)法接受全部要素重繪的情況。

從以上討論可以看出對(duì)于地理信息系統(tǒng)而言，雙緩沖區(qū)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足要求。為此，在TerraMap中采用了地圖緩沖區(qū)技術(shù)。

1.2 地圖緩沖區(qū)

地圖緩沖區(qū)不是指某一個(gè)具體的緩沖區(qū)，而是一組分工明確，相互配合的緩沖區(qū)組合在一起，共同解決地圖選擇和編輯過(guò)程中地圖快速繪制的技術(shù)。

從前面的討論可以看出雙緩沖區(qū)技術(shù)之所以效率低，是因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，地圖只是改變很小一部分，確必須把整個(gè)地圖重新繪制一遍。為此，我們想到通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)“地圖緩沖區(qū)”把所有繪制好的相對(duì)固定的地圖數(shù)據(jù)放到新的 “地圖緩沖區(qū)”中，如圖2所示。

圖2 地圖緩沖區(qū)

在地圖緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)下的繪圖流程如下：

（1）每次繪制地圖的時(shí)候，把交通、水系、軍民地、境界等要素符號(hào)信息繪制到 “地圖緩沖區(qū)”；

（2）然后把 “地圖緩沖區(qū)”中的內(nèi)容復(fù)制到 “后臺(tái)緩沖區(qū)”，在 “后臺(tái)緩沖區(qū)”繪制選中目標(biāo)的符號(hào)；

（3）所有信息繪制好之后交換到 “前臺(tái)緩沖區(qū)”完成一次繪圖。

有了 “地圖緩沖區(qū)”，當(dāng)通過(guò)鼠標(biāo)操作選中一個(gè)目標(biāo)的時(shí)候，由于底圖信息沒(méi)有發(fā)生改變，因此 “地圖緩沖區(qū)”中的內(nèi)容沒(méi)有變化。只要把 “地圖緩沖區(qū)”中的內(nèi)容重新復(fù)制到 “后臺(tái)緩沖區(qū)”，然后在 “后臺(tái)緩沖區(qū)”重新繪制選中目標(biāo)，最后把繪制好的內(nèi)容復(fù)制到 “前臺(tái)緩沖區(qū)”完成一次繪制。這個(gè)過(guò)程中由于 “地圖緩沖區(qū)中”的內(nèi)容不再重新繪制，因此繪圖速度會(huì)大幅度提高。

1.3 圖層緩沖區(qū)

有了 “地圖緩沖區(qū)”并沒(méi)有完全解決問(wèn)題，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯的時(shí)候，由于修改了地圖本身的數(shù)據(jù)，因此“地圖緩沖區(qū)”還需要重新繪制，因此繪圖時(shí)間還是較長(zhǎng)。為此，對(duì) “地圖緩沖區(qū)”結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，把 “地圖緩沖區(qū)”分為多個(gè) “圖層緩沖區(qū)”，如圖3所示，圖層緩沖區(qū)的數(shù)量可以根據(jù)情況有所增減。

在 “圖層緩沖區(qū)”的結(jié)構(gòu)下，繪圖流程如下：

圖3 圖層緩沖區(qū)

（1）根據(jù)圖層的上下次序和是否是被編輯的圖層可以把地圖圖層數(shù)據(jù) （如境界、水系、居民地等）分別繪制到“圖層緩沖區(qū)1”到 “圖層緩沖區(qū)n”中，其中多個(gè)不被編輯的圖層可以繪制到一個(gè)圖層緩沖區(qū) （也可以繪制到多個(gè)圖層緩沖區(qū)），每個(gè)被編輯的圖層繪制到一個(gè)緩沖區(qū)；

（2）然后至下而上把每個(gè)圖層緩沖區(qū)中的內(nèi)容復(fù)制到“后臺(tái)緩沖區(qū)”，在 “后臺(tái)緩沖區(qū)”繪制選中目標(biāo)的符號(hào)；

（3）所有信息繪制好之后交換到 “前臺(tái)緩沖區(qū)”完成一次繪圖。

我們以編輯交通層為例描述在地圖編輯過(guò)程中的繪圖過(guò)程，假設(shè)有兩個(gè)圖層緩沖區(qū) （“圖層緩沖區(qū)1”和 “圖層緩沖區(qū)2”）交通層之外的圖層都繪制到 “圖層緩沖區(qū)2”，交通層數(shù)據(jù)繪制到 “圖層緩沖區(qū)1”。當(dāng)編輯交通圖層數(shù)據(jù)后繪圖時(shí)，由于窗口顯示范圍沒(méi)有發(fā)生改變，交通層之外的其它圖層數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生改變，因此，“圖層緩沖區(qū)2”中的內(nèi)容不必重畫，直接拷貝到 “后臺(tái)緩沖區(qū)”。修改后交通層的數(shù)據(jù)繪制到 “圖層緩沖區(qū)1”，再拷貝到 “后臺(tái)緩沖區(qū)”；最后交換到 “前臺(tái)緩沖區(qū)”，完成繪制。這個(gè)繪制過(guò)程中，繪制工作量最大的 “圖層緩沖區(qū)2”由于沒(méi)有修改而沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際繪制，因此繪圖速度會(huì)大為提高?？梢钥闯鲇捎谟辛藞D層緩沖區(qū)的控制，解決了編輯過(guò)程中的繪圖速度問(wèn)題。

圖層緩沖區(qū)的基本原理和地圖緩沖區(qū)相同，可以看作是對(duì)地圖緩沖區(qū)的擴(kuò)展。而地圖緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)可以看作是只有一個(gè)圖層緩沖區(qū)的特殊的圖層緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)。

1.4 組件緩沖區(qū)

圖層緩沖區(qū)技術(shù)解決了地圖數(shù)據(jù)選擇、地圖數(shù)據(jù)編輯過(guò)程中的繪圖速度問(wèn)題，但是并沒(méi)有解決全部問(wèn)題。基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用中使用最多的模式是以地圖為背景，在地圖之上繪制各種業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù) （如氣象、水文、電磁等）。相對(duì)于地圖而言，用戶更為關(guān)心業(yè)務(wù)信息，會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)信息進(jìn)行選取、查詢、編輯。在這種使用模式下，前面提到的圖層緩沖區(qū)技術(shù)就不能完全勝任，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要繪制在地圖數(shù)據(jù)之上，顯然業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不可能繪制在某一個(gè)圖層緩沖區(qū)中和地圖圖層交織在一起。如果把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)繪制在“后臺(tái)緩沖區(qū)”中，一個(gè) “后臺(tái)緩沖區(qū)”無(wú)法解決所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)專題繪圖要求。為此，在現(xiàn)有的圖層緩沖區(qū)之上，我們提出了組件緩沖區(qū)的技術(shù)，如圖4所示。

圖4 組件緩沖區(qū)

在原有的 “后臺(tái)緩沖區(qū)”之上，增加了多個(gè) “組件緩沖區(qū)”和一個(gè) “屏幕緩沖區(qū)”，組件緩沖區(qū)用于分別存儲(chǔ)不同種類的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，組件緩沖區(qū)的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減。在組件緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)下的繪圖流程如下：

（1）根據(jù)圖層的上下次序和是否是被編輯的圖層可以把地圖圖層數(shù)據(jù) （如境界、水系、居民地等）分別繪制到“圖層緩沖區(qū)1”到 “圖層緩沖區(qū)n”中，其中多個(gè)不被編輯的圖層可以繪制到一個(gè)圖層緩沖區(qū) （也可以繪制到多個(gè)圖層緩沖區(qū)），每個(gè)被編輯的圖層繪制到一個(gè)緩沖區(qū)；

（2）然后之下而上把每個(gè)圖層緩沖區(qū)中的內(nèi)容復(fù)制到“后臺(tái)緩沖區(qū)”，在 “后臺(tái)緩沖區(qū)”繪制選中目標(biāo)的符號(hào)，完成地圖數(shù)據(jù)的繪制；

（3）把每種專題數(shù)據(jù) （或者說(shuō)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)）分別繪制到不同的組件緩沖區(qū)，如氣象數(shù)據(jù)繪制到 “組件緩沖區(qū)n”，水文數(shù)據(jù)繪制到 “組件緩沖區(qū)2”，電磁數(shù)據(jù)繪制到 “組件緩沖區(qū)1”；

（4）從下至上把 “后臺(tái)緩沖區(qū)”和多個(gè)組件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)分別復(fù)制到 “屏幕緩沖區(qū)”；

（5）所有信息繪制好之后把 “屏幕緩沖區(qū)”中的位圖信息交換到 “前臺(tái)緩沖區(qū)”完成一次繪圖。

我們以氣象數(shù)據(jù)發(fā)生變化的繪制過(guò)程為例，說(shuō)明系統(tǒng)的具體繪圖機(jī)制：

（1）當(dāng)氣象數(shù)據(jù)發(fā)生變化后會(huì)觸發(fā)一次地圖繪圖事件；

（2）由于地圖數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生任何變化，因此 “后臺(tái)緩沖區(qū)”中的信息沒(méi)有變化，不需要重新繪制，直接復(fù)制到屏幕緩沖區(qū)；

（3）氣象數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，重新繪制 “組件緩沖區(qū)n”，然后復(fù)制到屏幕緩沖區(qū)；

（4）水文數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生變化，直接把 “組件緩沖去2”的位圖信息復(fù)制到屏幕緩沖區(qū)；

（5）電磁數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生變化，直接把 “組件緩沖去1”的位圖信息復(fù)制到屏幕緩沖區(qū)；

（6）最后把 “屏幕緩沖區(qū)”中的位圖信息復(fù)制到 “前臺(tái)緩沖區(qū)”。

在這個(gè)過(guò)程中，只有數(shù)據(jù)發(fā)生修改的 “組件緩沖區(qū)n”進(jìn)行了重繪工作，其它緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)都是直接復(fù)制，沒(méi)有實(shí)際繪制工作，因此繪圖速度會(huì)大大提高。

繪圖緩沖區(qū)技術(shù)是一整套緩沖區(qū)技術(shù)的組合包括雙緩沖區(qū)、地圖緩沖區(qū)、圖層緩沖區(qū)和組件緩沖區(qū)。不同種類緩沖區(qū)解決地圖繪制過(guò)程中遇到的不同的問(wèn)題。有了繪圖緩沖區(qū)技術(shù)，可以有效提高不同使用方式下地圖數(shù)據(jù)的繪圖速度。下面，就繪圖緩沖區(qū)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行闡述。

2 繪圖緩沖區(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

TerraMap地理信息系統(tǒng)中的繪圖緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)3個(gè)接口來(lái)完成：緩沖區(qū)接口 （IGF＿DispBitmapBuffer）、圖層緩沖區(qū)控制接口 （IGIS＿DispBitmapBufferController）和組件緩沖區(qū)控制接口 （IGF＿DispComponentBitmap－BufferController），相互關(guān)系如圖5所示。

圖5 接口關(guān)系

2.1 緩沖區(qū)接口

緩沖區(qū)接口代表了位圖緩沖區(qū)，可以代表圖層緩沖區(qū)、后臺(tái)緩沖區(qū)、組件緩沖區(qū)、屏幕緩沖區(qū)和前臺(tái)緩沖區(qū)等一個(gè)具體的緩沖區(qū)。

通過(guò) Create （int iWidth，int iHeight，int iColorBit－Count）可以創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)，并且設(shè)置緩沖區(qū)位圖的寬度、高度和顏色位數(shù)，其中顏色位數(shù)可以使24位也可以是32位。

通過(guò) Reset （int iWidth，int iHeight，int iColorBit Count＝0）可以重新設(shè)置位圖的寬度、高度和顏色位數(shù)。

通過(guò)GetBmpHandle（）可以獲取具體的位圖句柄，拿到繪圖句柄就可以在緩沖區(qū)中進(jìn)行繪圖，也可以獲取已經(jīng)繪制好的位圖信息。

通過(guò)SetModified（bool bModified）可以設(shè)置緩沖區(qū)是否被修改過(guò)，前文提到的當(dāng)?shù)貓D數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生改變的時(shí)候，就設(shè)置緩沖區(qū)為沒(méi)有修改，這樣就不必重新繪制緩沖區(qū)了。

通過(guò)SetTransparentColor（int iColor）可以設(shè)置圖層的透明色。在緩沖區(qū)復(fù)制的時(shí)候，不能把整個(gè)緩沖區(qū)位圖都復(fù)制到另一個(gè)緩沖區(qū)，否則會(huì)把已經(jīng)繪制好的一些地圖數(shù)據(jù)覆蓋掉。為此在緩沖區(qū)中設(shè)置了透明色，當(dāng)緩沖區(qū)中某個(gè)區(qū)域的顏色為透明色的時(shí)候，緩沖區(qū)復(fù)制的時(shí)候?qū)⒉粫?huì)繪制這塊區(qū)域。

2.2 圖層緩沖區(qū)控制接口

圖層緩沖區(qū)控制接口描述了有多個(gè)圖層緩沖區(qū)和一個(gè)后臺(tái)緩沖區(qū)組成緩沖區(qū)集合，用于解決地圖繪制中產(chǎn)生的繪圖速度問(wèn)題。

通過(guò)GetBackgoundBufferPtr（）可以獲取 “后臺(tái)緩沖區(qū)”，“后臺(tái)緩沖區(qū)”是一個(gè)IGF＿DispBitmapBuffer接口。

通過(guò)GetBufferCount（）可以獲取圖層緩沖區(qū)的數(shù)量。

通過(guò)GetBuffer（int iIndex）可以獲取某一個(gè)具體的圖層緩沖區(qū)，圖層緩沖區(qū)是一個(gè)IGF＿DispBitmapBuffer接口。

通過(guò)InsertBuffer（int iIndex，const char＊ szName）可以增加一個(gè)圖層緩沖區(qū)。

通過(guò)DeleteBuffer（int iIndex）可以刪除某一個(gè)具體的緩沖區(qū)。

2.3 組件緩沖區(qū)控制接口

組件緩沖區(qū)控制接口代表了由后臺(tái)緩沖區(qū)、多個(gè)組件緩沖區(qū)和屏幕緩沖區(qū)組成的緩沖區(qū)集合，用于解決專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)繪制過(guò)程中的速度問(wèn)題。

通過(guò)GetScreenBufferPtr（）可以獲取 “屏幕緩沖區(qū)”，“屏幕緩沖區(qū)”是一個(gè)IGF＿DispBitmapBuffer接口。

通過(guò)GetBufferCount（）可以獲取組件緩沖區(qū)的數(shù)量，組件緩沖區(qū)是一個(gè)IGF＿DispBitmapBuffer接口。

通過(guò)GetBuffer（int iIndex）可以獲取某一個(gè)具體的組件緩沖區(qū)。

3 成 果

TerraMap所采用的繪圖緩沖區(qū)技術(shù)是針對(duì)地理信息系統(tǒng)中地圖繪制過(guò)程中碰到的各種影響繪圖速度問(wèn)題，專門研制的一套技術(shù)并加以實(shí)現(xiàn)。由于繪圖緩沖區(qū)技術(shù)的應(yīng)用，TerraMap在各種應(yīng)用場(chǎng)景中 （地圖選取、編輯、專題數(shù)據(jù)選取、編輯等）都能夠提供很好的地圖繪制速度，滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)地圖繪制的需求。繪圖緩沖區(qū)技術(shù)也可以應(yīng)用在其它地理信息平臺(tái)的研制過(guò)程中。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于地理信息系統(tǒng)這樣的以圖形處理為主要工作內(nèi)容的軟件系統(tǒng)，緩沖區(qū)技術(shù)是一個(gè)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。任何地理信息系統(tǒng)都會(huì)或多或少的利用到緩沖區(qū)技術(shù)，在TerraMap中為了滿足各種具體應(yīng)用的要求，對(duì)緩沖區(qū)技術(shù)進(jìn)行了充分深入的研究，從多個(gè)層面解決不同層次的問(wèn)題。本文提到的緩沖區(qū)技術(shù)的研究思路同樣適用于其它圖形處理軟件，如CAD軟件等，而不僅僅是地理信息系統(tǒng)中。只是其它系統(tǒng)中需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)緩沖區(qū)技術(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整，但是基本思路是一致的。

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