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H.264視頻編解碼技術(shù)普天信息信息技術(shù)研究院PotevioInstituteofTechnology

11/14/20221目標(biāo)重點(diǎn)培訓(xùn)內(nèi)容參考資料目錄11/14/20222培訓(xùn)目標(biāo)掌握視頻信息和視頻編碼的相關(guān)概念理解H.264編解碼器的工作原理和關(guān)鍵算法掌握主流的H.264開(kāi)源編解碼器的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)掌握H.264視頻數(shù)據(jù)RTP傳輸封包格式11/14/20223培訓(xùn)重點(diǎn)視頻信息特點(diǎn)和格式視頻編碼的相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263、H.264H.264編解碼器的工作原理和關(guān)鍵過(guò)程H.264開(kāi)源編碼器X264、解碼器FFMPEG架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)H.264視頻數(shù)據(jù)RTP傳輸封包格式11/14/20224培訓(xùn)內(nèi)容視頻信息特點(diǎn)直觀性確切性高效性廣泛性高帶寬性詳見(jiàn)《預(yù)研報(bào)告》中的闡述說(shuō)明。11/14/20225培訓(xùn)內(nèi)容視頻信息格式視頻信號(hào)的取樣有兩種:時(shí)間取樣:運(yùn)動(dòng)圖像可由每秒若干幀靜止圖像構(gòu)成,我國(guó)采用的PAL制彩色視頻規(guī)定每秒25幀,美日等采用的NTSC制彩色視頻則為每秒30幀。這種取樣方式即時(shí)間取樣??臻g取樣:在同一視頻信號(hào)幀中,同一行由若干取樣點(diǎn)構(gòu)成,這些取樣點(diǎn)稱為像素,這種取樣就屬于空間取樣。常用彩色視頻格式:亞QCIF-96×128QCIF-144×176CIF-288×3524CIF-576×72011/14/20226培訓(xùn)內(nèi)容視頻信息格式彩色空間RGB

任何彩色圖像可由不同比例的紅色、綠色和藍(lán)色組合而成,即三基色原理。這種表示彩色圖像的方法即RGB彩色空間。YCbCr(YUV)

人類視覺(jué)系統(tǒng)(HDV)對(duì)亮度比彩色更敏感,因此可以把亮度信息從彩色信息分離出來(lái),并使之具有更高的清晰度,彩色信息的清晰度較低些,可顯著壓縮帶寬,實(shí)現(xiàn)視頻壓縮的一部分,人的感覺(jué)卻沒(méi)有不同。

如果亮度分量用Y表示,色度用Cb,Cr表示,則由大量實(shí)驗(yàn)得出:

Y=0.299R+0587G+0.114B

Cb=0564(B-Y) Cr=0.713(R-Y)11/14/20227培訓(xùn)內(nèi)容視頻信息格式視頻取樣

4:2:0,在水平和垂直清晰度方面,Cb

和Cr都是Y的一半。

4:2:2,這時(shí)彩色分量和亮度分量具有同樣的垂直清晰度,但水平清晰度彩色分量是亮度分量的一半。

4:4:4,Y、Cb

和Cr具有同樣的水平和垂直清晰度,在每一像素位置,都有Y,Cb

和Cr分量,即不論水平方向還是垂直方向,每4個(gè)亮度像素相應(yīng)的有4個(gè)Cb和4個(gè)Cr色度像素。

4:2:04:2:24:4:4YCbCr

11/14/20228培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼的相關(guān)術(shù)語(yǔ)場(chǎng)和幀片和宏塊片組檔次和級(jí)SP和SISPS和PPS圖像序列號(hào)(POC)RBSP和SODB詳見(jiàn)《預(yù)研報(bào)告》中的闡述說(shuō)明。11/14/20229培訓(xùn)內(nèi)容視頻編解碼的概念視頻編解碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu):

11/14/202210培訓(xùn)內(nèi)容視頻編解碼的概念根據(jù)采用信源模型,視頻編碼可以分為兩大類:基于波形的編碼利用像素間的空間相關(guān)性和幀間的時(shí)間相關(guān)性,采用預(yù)測(cè)編碼和變換編碼技術(shù)可大大減少視頻信號(hào)的相關(guān)性,從而顯著降低視頻序列的碼率,實(shí)現(xiàn)壓縮編碼的目標(biāo)。H.263、H.264、H.320、H.323都屬于基于波形的編碼。基于內(nèi)容的編碼先把視頻幀分成對(duì)應(yīng)于不同物體的區(qū)域,然后對(duì)其編碼。具體說(shuō)來(lái),即對(duì)不同物體的形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理進(jìn)行編碼。MPEG-4采用的編碼方法就既基于塊的混合編碼,又有基于內(nèi)容的編碼方法。11/14/202211培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展簡(jiǎn)史1984年,CCITT第15研究組發(fā)布了數(shù)字基群電視會(huì)議編碼標(biāo)準(zhǔn)H.120建議。1988年,CCITT通過(guò)了“p×64Kbps(p=1,2,3,4,5,,,,30)”視像編碼標(biāo)準(zhǔn)H.261建議,被稱為視頻壓縮編碼的一個(gè)里程碑。1986年,ISO和CCITT成立了聯(lián)合圖像專家組(JPEG,JointPhotographicExpertsGroup),研究連續(xù)色調(diào)靜止圖像壓縮算法國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),1992年7月通過(guò)了JPEG標(biāo)準(zhǔn)。1988年,ISO/IEC信息技術(shù)聯(lián)合委員會(huì)成立了活動(dòng)圖像專家組(MPEG,MovingPictureExpertGroup)。1991年公布了MPEG-1視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),碼率為1.5Mbps,主要應(yīng)用于家用VCD的視頻壓縮;1994年11月,公布了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn),用于數(shù)字視頻廣播(DVB)、家用DVD的視頻壓縮及高清晰度電視(HDTV)。11/14/202212培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展簡(jiǎn)史 1995年,ITU-T推出H.263標(biāo)準(zhǔn),用于低于64Kbps的低碼率視頻傳輸,如PSTN信道中可視會(huì)議、多媒體通信等。1984年和2000年又分別公布了H.263+、H.263++等標(biāo)準(zhǔn)。 1999年12月份,ISO/IEC通過(guò)了“視聽(tīng)對(duì)象的編碼標(biāo)準(zhǔn)”---MPEG4,它除了定義視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)外,還強(qiáng)調(diào)了多媒體通信的交互性和靈活性。 2003年3月,ITU-T和ISO/IEC正式公布了H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),不僅顯著提高了壓縮比,而且具有良好的網(wǎng)絡(luò)親和性,加強(qiáng)了對(duì)IP網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)的誤碼和丟包的處理。11/14/202213培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263–技術(shù)背景H.263是由ITU-T制定的視頻會(huì)議用的低碼率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),屬于視頻編解碼器。H.263最初設(shè)計(jì)為基于H.324的系統(tǒng)進(jìn)行傳輸(即基于公共交換電話網(wǎng)和其它基于電路交換的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻會(huì)議和視頻電話)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)H.263也可以成功的應(yīng)用于H.323(基于RTP/IP網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議系統(tǒng)),H.320(基于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的視頻會(huì)議系統(tǒng)),RTSP(流式媒體傳輸系統(tǒng))和SIP(基于因特網(wǎng)的視頻會(huì)議)。H.263支持用于視頻會(huì)議和視頻電話應(yīng)用程序的視頻壓縮(解碼)。H.263基于H.261編碼,并且為在最低帶寬為20K到24Kbit/sec上傳輸?shù)囊曨l流而開(kāi)發(fā)。作為一種一般規(guī)則,H.263只需H.261一半的帶寬即可達(dá)到與H.261相同的視頻質(zhì)量,所以在很大程度上H.263取代了H.261。H.263使用RTP傳輸視頻流。11/14/202214培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263–編解碼技術(shù)H.263的編碼算法和H.261中的類似,但它在H.261的基礎(chǔ)上有了提高和改變,從而增強(qiáng)了性能和錯(cuò)誤恢復(fù)能力。H.263中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償采用的是半像素精度,而在H.261中采用的是全像素精度和環(huán)路過(guò)濾。數(shù)據(jù)流中分層結(jié)構(gòu)的某些部分是可選的,如此視頻編譯碼就可以被配置成有較低的數(shù)據(jù)率或較好的錯(cuò)誤恢復(fù)能力。目前有四種能夠提高性能的可選協(xié)商選項(xiàng):無(wú)限制運(yùn)動(dòng)矢量、基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼、先進(jìn)預(yù)測(cè)和前后幀預(yù)測(cè),這類似于MPEG,叫做P-B幀。H.263支持五種分辨率。除了H.261支持的QCIF和CIF外,還有SQCIF、4CIF和16CIF。SQCIF的分辨率大約是QCIF的一半,而4CIF和16CIF的分辨率分別是CIF的4倍和16倍。支持4CIF和16CIF意味著視頻編碼器可以與其它具有較高比特率的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相抗衡,如MPEG標(biāo)準(zhǔn)。11/14/202215培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263–協(xié)議結(jié)構(gòu) H.263有效載荷頭定義了三種格式(模式A、模式B和模式C)。在模式A中,在實(shí)際壓縮H.263視頻比特流之前存在4字節(jié)的H.263有效載荷頭。這樣允許在GOB邊界有分段。在模式B中,使用的是8字節(jié)的H.263有效載荷頭,且每個(gè)數(shù)據(jù)包從MB邊界開(kāi)始,沒(méi)有PB幀選項(xiàng)。最后,模式C中使用的是12字節(jié)的H.263有效載荷頭,采用PB幀選項(xiàng)支持在MB邊界的幀分段。 以模式A為例,頭格式如下所示:

1258111213141516bitFPSBITEBITSRCIUSARR(cont.)DBQTRBTR11/14/202216培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–技術(shù)背景H264標(biāo)準(zhǔn)是由JVT(JointVideoTeam,視頻聯(lián)合工作組)組織提出的新一代數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。JVT于2001年12月在泰國(guó)Pattaya成立。它由ITU-T的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動(dòng)圖像編碼專家組)兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的專家聯(lián)合組成。JVT的工作目標(biāo)是制定一個(gè)新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)視頻的高壓縮比、高圖像質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等目標(biāo)H264標(biāo)準(zhǔn)。H264標(biāo)準(zhǔn)將作為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)新的部分(MPEG-4part.10)而獲得批準(zhǔn),是一個(gè)面向未來(lái)IP和無(wú)線環(huán)境下的新數(shù)字視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。

11/14/202217培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–技術(shù)優(yōu)勢(shì)更高的編碼效率:同H.263等標(biāo)準(zhǔn)的特率效率相比,能夠平均節(jié)省大于50%的碼率。高質(zhì)量的視頻畫(huà)面:H.264能夠在低碼率情況下提供高質(zhì)量的視頻圖像,在較低帶寬上提供高質(zhì)量圖像傳輸是H.264應(yīng)用亮點(diǎn)。提高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力:H.264可以工作在實(shí)時(shí)通信應(yīng)用(如視頻會(huì)議)低延時(shí)模式下,也可以工作在沒(méi)有延時(shí)的視頻存儲(chǔ)或視頻流服務(wù)器中。采用混合編碼結(jié)構(gòu):同H.263相同,H.264也使用采用DCT變換編碼加DPCM的差分編碼的混合編碼結(jié)構(gòu),還增加了如多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、多幀預(yù)測(cè)、基于內(nèi)容的變長(zhǎng)編碼、4x4二維整數(shù)變換等新的編碼方式,提高了編碼效率。

11/14/202218培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–技術(shù)優(yōu)勢(shì)H.264的編碼選項(xiàng)較少:在H.263中編碼時(shí)往往需要設(shè)置相當(dāng)多選項(xiàng),增加了編碼的難度,而H.264做到了力求簡(jiǎn)潔的“回歸基本”,降低了編碼時(shí)復(fù)雜度。H.264可以應(yīng)用在不同場(chǎng)合:H.264可以根據(jù)不同的環(huán)境使用不同的傳輸和播放速率,并且提供了豐富的錯(cuò)誤處理工具,可以很好的控制或消除丟包和誤碼。錯(cuò)誤恢復(fù)功能:H.264提供了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸包丟失的問(wèn)題的工具,適用于在高誤碼率傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸視頻數(shù)據(jù)。較高的復(fù)雜度:H264性能的改進(jìn)是以增加復(fù)雜性為代價(jià)而獲得的。據(jù)估計(jì),H.264編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍,解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。11/14/202219培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–關(guān)鍵技術(shù)分層設(shè)計(jì)(VCL和NAL)。高精度、多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)。4×4塊的整數(shù)變換。統(tǒng)一的VLC。幀內(nèi)預(yù)測(cè)。面向IP和無(wú)線環(huán)境。詳見(jiàn)《預(yù)研報(bào)告》中的闡述說(shuō)明。11/14/202220培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–性能分析TML-8為H.264的測(cè)試模式,用它來(lái)對(duì)H.264的視頻編碼效率進(jìn)行比較和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果所提供的PSNR已清楚地表明,相對(duì)于MPEG-4(ASP:AdvancedSimpleProfile)和H.263++(HLP:HighLatencyProfile)的性能,H.264的結(jié)果具有明顯的優(yōu)越性。H.264的PSNR比MPEG-4(ASP)和H.263++(HLP)明顯要好,在6種速率的對(duì)比測(cè)試中,H.264的PSNR比MPEG-4(ASP)平均要高2dB,比H.263(HLP)平均要高3dB。6個(gè)測(cè)試速率及其相關(guān)的條件分別為:32kbit/s速率、10f/s幀率和QCIF格式;64kbit/s速率、15f/s幀率和QCIF格式;128kbit/s速率、15f/s幀率和CIF格式;256kbit/s速率、15f/s幀率和QCIF格式;512kbit/s速率、30f/s幀率和CIF格式;1024kbit/s速率、30f/s幀率和CIF格式。11/14/202221培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–編碼器原理11/14/202222培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–編碼器算法預(yù)測(cè)編碼(幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè))變換編碼(K-L變換、離散余弦變換DCT)熵編碼(變長(zhǎng)編碼CAVLC和算術(shù)編碼CABAC)詳見(jiàn)《預(yù)研報(bào)告》中的闡述說(shuō)明。11/14/202223培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–解碼器原理11/14/202224培訓(xùn)內(nèi)容視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264–解碼器流程11/14/202225培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源編碼器X264-背景 目前業(yè)界主流的H264開(kāi)源編碼器有JM和X264。 JM是H.264的官方測(cè)試源碼,由德國(guó)HHI研究所負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)。該代碼旨在實(shí)現(xiàn)H.264的所有特性,因而結(jié)構(gòu)冗長(zhǎng),編碼復(fù)雜度極高,多用于學(xué)術(shù)研究,不適于實(shí)際應(yīng)用。 而X264是由法國(guó)巴黎中心學(xué)校的中心研究所于2004年6月發(fā)起,并由許多視頻編碼愛(ài)好者共同完成的項(xiàng)目。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)實(shí)用的H264編碼器,所以它引入MMX、SSE等匯編指令來(lái)提高編碼速度,同時(shí)摒棄了一些耗時(shí)但對(duì)編碼性能提高微小的模塊,如多參考幀等。本項(xiàng)目選定編碼效率較高的X264作為H264編碼器,為統(tǒng)一的H264編解碼器FFMPEG提供編碼器靜態(tài)庫(kù)LIB。11/14/202226培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源編碼器X264–編碼流程11/14/202227培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源編碼器X264–核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)x264_level_t/*維護(hù)X264級(jí)別配置數(shù)據(jù)*/x264_nal_t/*維護(hù)NAL單元數(shù)據(jù)*/x264_picture_t/*維護(hù)編碼圖像數(shù)據(jù)*/

x264_image_t/*維護(hù)原始圖像數(shù)據(jù)*/x264_t/*維護(hù)著CODEC的諸多重要信息*/x264_sps_t/*序列參數(shù)集*/x264_sps_t/*圖像參數(shù)集*/x264_frame_t/*維護(hù)編碼幀數(shù)據(jù)*/

,x264_param_t/*給出編碼過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)的初始化*/

11/14/202228培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源編碼器X264–核心函數(shù)x264_param_default()

/*為X264編碼器賦默認(rèn)參數(shù)*/x264_picture_alloc()/*為圖像開(kāi)辟內(nèi)存空間并賦參數(shù)值*/x264_picture_clean()/*釋放開(kāi)辟的圖像資源*/

x264_encoder_open()/*創(chuàng)建并初始化編碼器*/x264_encoder_encode()

/*對(duì)一幅圖像進(jìn)行H264編碼*/x264_encoder_close()/*關(guān)閉并釋放編碼器資源*/11/14/202229培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源解碼器FFMPEG–背景 FFmpeg是一個(gè)開(kāi)源免費(fèi)跨平臺(tái)的視頻和音頻流方案,屬于自由軟件,采用LGPL或GPL許可證(依據(jù)選擇的組件)。它提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案。它包含了非常先進(jìn)的音頻/視頻編解碼庫(kù)libavcodec,為了保證高可移植性和編解碼質(zhì)量,libavcodec里很多codec都是從頭開(kāi)發(fā)的。 FFmpeg被許多開(kāi)源項(xiàng)目采用,比如ffmpeg2theora,VLC,MPlayer,HandBrake,Blender,GoogleChrome等。還有DirectShow/VFW的ffdshow(externalproject)和QuickTime的Perian(externalproject)也采用了FFmpeg。目前流行的播放器暴風(fēng)影音、QQ影音、KMP也都使用了FFmpeg的代碼。

11/14/202230培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源解碼器FFMPEG–解碼流程 按照<AnffmpegandSDLTutorial>中的描述,F(xiàn)FMPEG解碼流程如下:

1 OPENvideo_streamFROMvideo.avi

2 READpacketFROMvideo_streamINTOframe

3 IFframeNOTCOMPLETEGOTO20

4DOSOMETHINGWITHframe(Decoding)

5GOTO2011/14/202231培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源解碼器FFMPEG–核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)AVCodecContext/*解碼器核心接口結(jié)構(gòu)體*/AVCodec/*維護(hù)解碼器映射、像素格式信息等*/AVFrame/*維護(hù)待解碼圖像信息*/AVPicture/*維護(hù)解碼后圖像信息*/ 下面的這個(gè)生成關(guān)系表述了上述主要FFMPEG數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系:(->表示派生出)

AVFormatContext->AVStream->AVCodecContext->AVCodec

AVOutputFormatorAVInputFormat

AVFrame->AVPicture….->AVPacket11/14/202232培訓(xùn)內(nèi)容H.264開(kāi)源解碼器FFMPEG–核心函數(shù)avcodec_open()/*打開(kāi)并初始化AVCodecContext*/avcodec_close()/*關(guān)閉并釋放AVCodecContext*/avcodec_find_decoder()/*執(zhí)行解碼時(shí),查找對(duì)應(yīng)的解碼器*/avcodec_alloc_frame()/*創(chuàng)建并初始化AVFrame*/avpicture_get_size()/*根據(jù)像素格式和視頻分辨率獲得picture存儲(chǔ)大小*/avpicture_fill()/*用ptr中的內(nèi)容根據(jù)文件格式(YUV…)和分辨率填充picture。初始化階段填充為全零*/img_convert()/*不同像素格式之間的圖像轉(zhuǎn)換*/avcodec_alloc_context()/*創(chuàng)建并初始化AVCodecContext*/avcodec_decode_video()/*從緩沖區(qū)中將視頻數(shù)據(jù)解碼至picture結(jié)構(gòu)中*/av_free()/*釋放由av_malloc(z)()或av_realloc()開(kāi)辟的內(nèi)存*/11/14/202233培訓(xùn)內(nèi)容H264的RTP傳輸幀格式 H264網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用RTP承載,遵循RFC3550,RFC3984。 H.264Payload格式定義了三種不同的基本的負(fù)載(Payload)結(jié)構(gòu).接收端可能通過(guò)RTPPayload的第一個(gè)字節(jié)來(lái)識(shí)別它們.這一個(gè)字節(jié)類似NALU頭的格式,而這個(gè)頭結(jié)構(gòu)的NAL單元類型字段則指出了代表的是哪一種結(jié)構(gòu),這個(gè)字節(jié)的結(jié)構(gòu)如下,可以看出它和H.264的NALU頭結(jié)構(gòu)是一樣的.

+---------------+

|0|1|2|3|4|5|6|7|

+-+-+-+-+-+-+

|F|NRI|Type

|

+---------------+

字段Type:這個(gè)RTPpayload中NAL單元的類型.這個(gè)字段和H.264中類型字段的區(qū)別是,當(dāng)type的值為24~31表示這是一個(gè)特別格式的NAL單元,而H.264中,只取1~23是有效的值.11/14/202234培訓(xùn)內(nèi)容H264的RTP傳輸封包模式單一NAL單元模式

即一個(gè)RTP包僅由一個(gè)完整的NALU組成.這種情況下RTPNAL頭類型字段和原始的H.264的NA

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