Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
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Video
 Container
 Matroska
 MP4
 Codecs
 DivX
 Xvid
 H.264
 Verfahren der Videokompression
 Intra-coding
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Video
Container und Codecs
Bildnachweis: „Kill Bill“ (2003)
Bitraten (37 sec.):
◦ 1 Mbps (~5 MB)
◦ 500 Kbps (~3 MB)
◦ 100 Kbps (~1,6 MB)
Konstante Bi...
 ~25 Bilder pro Sekunde  25 fps (frames per second)
 Auflösung
 Farbtiefe (Quantisierung) z.B. 24 Bit pro Pixel
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Quelle: http://www.bluray-disc.de/faq/was-ist-der-unterschied-zwischen-blu-ray-und-der-dvd
Container
Codecs  Von den Begriffen Compressor und Decompressor
• Codecs: Mathematische Algorithmen, mit deren Hilfe Vide...
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Containerdatei#/media/File:Informatik-Containerformate-Beispiele.svg
http://matroska.org/technical/whatis/index.html
Matroska
• Unterstützt Videocodecs:
• MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4
• H.264
• RealVideo, WMV, Theora, Dirac
• …
• Unterstützt Aud...
Container: mp4
Mp4
 Von der Moving Picture Expert Group (MPEG) (gegründet 1988) beschränkt auf
folgende Formate:
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MPEG: Standards
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Containerdatei#/media/File:Informatik-Containerformate-Beispiele.svg
Codec!
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DivX
 <= DivX ;-) 3.11 (1999): Veränderter MS MPEG 4 Codec:
 u.a.: Erhöhung der maximalen Bitrate
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Coded: Xvid
Xvid
 Freie MPEG-4 Implementierung (GNU General
Public License), basierend auf OpenDivX
Quelltext
 Techniken...
Codec: H.264
H.264 (H.264/MPEG-4 AVC)
• 2003 als Standard verabschiedet: MPEG-4 Part 10
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H.264
Variable block-size motion compensation (VBSMC) with block sizes as large as 16×16 a
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vs. H.265
Kompressionsverfahren
Wie ließe sich diese Videosequenz komprimieren?
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Videokompression: Möglichkeiten in der Beseitigung von Redundanzen
Bild- bzw. Framedimensionen (Höhe und Breite)
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Unterscheidung:
 Intra-coding (auch: spatial coding): Redundanz aus
einem Frame entfernen (räumliche Redundanz),
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Idee und Verfahrensweise:
 Aufteilung des Frames in Blöcke (4x4, 8x8, etc.)
 Suche nach ähnlichen Blöcken
 Ähnliche Blö...
Idee und Verfahrensweise:
 Trennung in Textur und Kontur
 Konturen beschreiben (z.B.) durch Bézier-Kurven
 Texturen kod...
Inter-coding
Bildnachweis: http://www.ipway.rs/h264/Doc/wp_h264_31669_en_0803_lo.pdf
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Verfahrensweise
 Startframe und spätere I-Frames intracodiert
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Verfahrensweise:
 Objektbewegungen zwischen Frames identifizieren
 Speicherung der Veränderungen als Bewegungsvektoren
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Audio
Longitudinalwelle
Ausbreitungsrichtung
Schwingungsrichtung
Bildnachweis: http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavem...
 Amplitude (vertikale Ausdehnung) → Lautstärke
 Frequenz (Wiederholungsrate) → Tonhöhe
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 Analoge Daten: kontinuierlich (fortlaufend)
 Digitale Daten: diskret (trennbar, abzählbar)
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Kontinuierlich vs. Diskret
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Ein Signal mit einer maximalen Frequenz von 𝑓𝑚𝑎𝑥 muss
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 Drei Kategorien
 Unkomprimiert (bspw. WAV, AIFF)
 Verlustfrei komprimiert (bspw. FLAC)
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 Header
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 Sampling rate: 44100 Hz
 Sampling resolution: 16 Bit → 65536 mögliche
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 WAV, AIFF, uvm. enthalten eine diskrete Abbildung
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 Menschliche Wahrnehmungsgrenzen verwenden
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Bildnachweis: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hoerflaeche.svg
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 Töne unterschiedlicher Frequenz werden vom
Menschen unterschiedlich Laut wahrgenommen (1
kHz bis 5 kHz am lautesten)
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Hörschwellenmaskierung
 Signale werden aus Frequenzspektrum entfernt, die jenseits
der (menschlichen) Hörschwelle liegen
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BIT II SoSem 2015 | Basisinformationstechnologie II - 08_Video und Audio
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  1. 1. Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung Dr. Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de Basisinformationstechnologie II Sommersemester 2015 10. Juni 2015 – Video und Audio: Container, Codecs und Kompressionsverfahren
  2. 2. Video  Container  Matroska  MP4  Codecs  DivX  Xvid  H.264  Verfahren der Videokompression  Intra-coding  Vektorquantisierung  Konturbasierte Codierung  Inter-coding  Differenzcodierung  Bewegungskompensation Audio  Sampling  Kompression Themenüberblick
  3. 3. Video Container und Codecs
  4. 4. Bildnachweis: „Kill Bill“ (2003) Bitraten (37 sec.): ◦ 1 Mbps (~5 MB) ◦ 500 Kbps (~3 MB) ◦ 100 Kbps (~1,6 MB) Konstante Bitrate (CBR) vs. Variable Bitrate (VBR)
  5. 5.  ~25 Bilder pro Sekunde  25 fps (frames per second)  Auflösung  Farbtiefe (Quantisierung) z.B. 24 Bit pro Pixel  Rechenexempel unkomprimiertes Video:  720 * 576 * 24 = 9.953.280 Bit pro Frame = ~1,2 MB / Frame (9.953.280 / 8 / 1024)  1,2 MB * 25 Frames = 30 MB/ sec.  30 MB * 60 sec. = 1.800 MB / min.  1,8 GB * 60 min. = 108 GB / std. Speicherplatzbedarf von Videomaterial
  6. 6. Quelle: http://www.bluray-disc.de/faq/was-ist-der-unterschied-zwischen-blu-ray-und-der-dvd
  7. 7. Container Codecs  Von den Begriffen Compressor und Decompressor • Codecs: Mathematische Algorithmen, mit deren Hilfe Video- und Audiodaten reduziert werden. • Hardware-Codecs: Hardwarebausteine, die die Kompression in Echtzeit durchführen. • Software-Codecs
  8. 8. Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Containerdatei#/media/File:Informatik-Containerformate-Beispiele.svg
  9. 9. http://matroska.org/technical/whatis/index.html
  10. 10. Matroska • Unterstützt Videocodecs: • MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 • H.264 • RealVideo, WMV, Theora, Dirac • … • Unterstützt Audiocodecs: • MP3 • AAC, AC3, DTS, WAV, Vorbis, FLAC
  11. 11. Container: mp4 Mp4  Von der Moving Picture Expert Group (MPEG) (gegründet 1988) beschränkt auf folgende Formate:  Video: MPEG-4 (Part 2, Part 10 (AVC/H.264)), MPEG-2 und MPEG-1  Audio: AAC, MP3, MP2, MP1, AC-3  Bilder: JPEG, PNG  Grafik und Text: BIFS (z. B. können Untertitel in dieses Format umgewandelt werden)  Dateiendungen:  .m4v, .mp4v: Video (MPEG-4-Videoströme)  .m4a: nur für Audio  .m4b: (Audiobook): Hörbücher, in die Lesezeichen gesetzt werden können  .m4p: (Protected): DRM-geschützte AAC-Audiodateien  .m4r: (Ringtone): Klingeltöne für iPhone
  12. 12. MPEG: Standards
  13. 13. Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Containerdatei#/media/File:Informatik-Containerformate-Beispiele.svg Codec!
  14. 14. Codec: DivX DivX  <= DivX ;-) 3.11 (1999): Veränderter MS MPEG 4 Codec:  u.a.: Erhöhung der maximalen Bitrate  MS MPEG 4: 256 kbps  DivX: bis 6 mbps  Erzeugt kein ISO-konformes MPEG 4 Video  > DivX ;-) 3.11: Neuentwicklung, patentierter Codec  Unterstützt u.a.:  Multipass Encoding (variable Bitrate)  Komplexe Szenen erhalten eine höhere Bitrate zugewiesen, langsame Szenen eine niedrigere Bitrate  2000: Gründung der Firma DivXNetworks   Open Source Projekt OpenDivX, basierend auf der MPEG-4 Referenzimplementierung des EU- Projektes „MoMuSys“ (Mobile Multimedia Systems)  Nach Veröffentlichung von DivX 4.0 (August 2001): Fokus auf kommerzielle Interessen, die Entwicklungsarbeiten an OpenDivX werden eingestellt  Kodiereffizienz schlechter als bei DivX ;-)  DivX 5: Erstes kommerzielles Produkt  …DivX 9.1.2 (2013-05) Linktipp: http://www.heise.de/ct/artikel/DivX-im-Griff-288448.html
  15. 15. Coded: Xvid Xvid  Freie MPEG-4 Implementierung (GNU General Public License), basierend auf OpenDivX Quelltext  Techniken:  B-Frames  Quarter Pixel Compensation  …
  16. 16. Codec: H.264 H.264 (H.264/MPEG-4 AVC) • 2003 als Standard verabschiedet: MPEG-4 Part 10 oder auch AVC (Advanced Video Coding)  Zehnter Teil des MPEG-4 Standards (MPEG-4/Part 10, ISO/IEC 14496-10) • Datei-/Containerformat: mp4 • Verwendung: • HDTV / Blu-Ray • Freier, quelloffener Encoder: x264 (http://www.videolan.org/developers/x264.html)
  17. 17. H.264 Variable block-size motion compensation (VBSMC) with block sizes as large as 16×16 a as small as 4×4, enabling precise segmentation of moving regions.
  18. 18. vs. H.265
  19. 19. Kompressionsverfahren
  20. 20. Wie ließe sich diese Videosequenz komprimieren? http://skateboarding.ru/gallery/data/media/81/sequence_mini.jpg
  21. 21. Videokompression: Möglichkeiten in der Beseitigung von Redundanzen Bild- bzw. Framedimensionen (Höhe und Breite) - Eigenschaften der Pixel (Helligkeit, Farbe) - Eigenschaften des jeweils betrachteten Frames Zeitliche Dimension
  22. 22. http://skateboarding.ru/gallery/data/media/81/sequence_mini.jpg / http://mamboaustralia.com/isfucked/wp-content/uploads/2011/05/CHEADLE_CULBURRA_SEQUENCE1.jpg
  23. 23. Unterscheidung:  Intra-coding (auch: spatial coding): Redundanz aus einem Frame entfernen (räumliche Redundanz), Kompression teilweise analog zu JPEG  Vektorquantisierung  Konturbasierte Codierung vs.  Inter-coding (auch: temporal coding): Redundanz zwischen Frames entfernen (temporale Redundanz)  Differenzkodierung (frame differencing)  Bewegungskompensation Videokompression
  24. 24. Idee und Verfahrensweise:  Aufteilung des Frames in Blöcke (4x4, 8x8, etc.)  Suche nach ähnlichen Blöcken  Ähnliche Blöcke im Bild ersetzen durch „Durchschnittsblock“  Zwei Schritte:  Training: Erstellung der Tabelle (Codebuch) mit häufig vorkommenden Blöcken  Häufig verwendet: Linde–Buzo–Gray Algorithmus  Berücksichtigung der Ähnlichkeit der notierten Blöcke Dekoder muss über das gleiche Codebuch verfügen Vorteile:  Schnelle Decodierung  Gute Kompression bei vielen ähnlichen Blöcken Nachteile:  Codierung aufwändig, da ähnliche Blöcke gesucht werden müssen Praxis: Verwendung in Codecs: Indeo, Cinepak Intra-Coding: Vektorquantisierung
  25. 25. Idee und Verfahrensweise:  Trennung in Textur und Kontur  Konturen beschreiben (z.B.) durch Bézier-Kurven  Texturen kodieren (z.B. mit DCT) Praxis: Verwendung ansatzweise in MPEG-4 Knackpunkt: Objekterkennung Intra-Coding: Konturbasierte Codierung
  26. 26. Inter-coding
  27. 27. Bildnachweis: http://www.ipway.rs/h264/Doc/wp_h264_31669_en_0803_lo.pdf t = 1 t = 2 t = 3 …Kompression…?
  28. 28. t = 1 Frame vollständig gespeichert  I-Frame t = 2 Aus dem vorhergehenden Frame berechnetes Frame  P-Frame …Kompression! t = 3 Aus dem vorhergehenden Frame berechnetes Frame  P-Frame Bildnachweis: http://www.ipway.rs/h264/Doc/wp_h264_31669_en_0803_lo.pdf
  29. 29. Speichern der Differenzen zwischen Start- und Folgeframe, z.B. pixelweise Differenzcodierung Bildnachweis: Malaka, Butz, Hußmann: Medieninformatik. München: Pearson Studium, 2009. S. 180.
  30. 30. Intra- vs. Predicted- vs. Bidirectional Frames:  Das Intra-Frame (I-Frame, auch: Key Frame / Schlüsselbild) wird nur unter Berücksichtigung der eigenen Bildinformation kodiert  Predicted Frames (P-Frames) werden aus den vorhergehenden I-Frames berechnet.  Bidirectional Frames beziehen sich sowohl  auf die vorhergehenden I- und P-Frames als auch  auf die folgenden I- und P-Frames. Praxis  MPEG-1 / -2: Ein I-Frame pro ½ Sek.  MPEG-4: Ein I-Frame ~ alle 10 Sek. Unterscheidung I: Frame-Typen (in MPEG)
  31. 31. Verfahrensweise  Startframe und spätere I-Frames intracodiert übertragen  Unterschiede zum Folgeframe bestimmen, als Bild interpretieren und dieses Bild komprimieren Differenzcodierung Bildnachweis: Malaka, Butz, Hußmann: Medieninformatik. München: Pearson Studium, 2009. S. 180.
  32. 32. Verfahrensweise:  Objektbewegungen zwischen Frames identifizieren  Speicherung der Veränderungen als Bewegungsvektoren (motion vector)  Zu übertragen:  Differenzbild  Bewegungsvektoren Bewegungskompensation (Motion Compensation) Bildnachweis: Malaka, Butz, Hußmann: Medieninformatik. München: Pearson Studium, 2009. S. 182.
  33. 33. Audio
  34. 34. Longitudinalwelle Ausbreitungsrichtung Schwingungsrichtung Bildnachweis: http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html
  35. 35.  Amplitude (vertikale Ausdehnung) → Lautstärke  Frequenz (Wiederholungsrate) → Tonhöhe  Angabe in Hertz: 1 Hz = 1 Wiederholung pro Sekunde Schallwellen Bildnachweis: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sine_one_period.svg (modifiziert)
  36. 36.  Analoge Daten: kontinuierlich (fortlaufend)  Digitale Daten: diskret (trennbar, abzählbar)  Analog → Digital: Abtasten des analogen Signals via A/D-Wandler  Grundfragen Sampling: 1. Wahl der geeigneten Abtastrate (Sampling Rate) 2. Wahl der geeigneten Auflösung Analoge vs. Digitale Daten
  37. 37. Kontinuierlich vs. Diskret Bildnachweis: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital.signal.discret.svg samplingresolution=8 (Abtasttiefe) sampling rate = 1/t (Abtastrate)
  38. 38. Kontinuierlich vs. Diskret Bildnachweis: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital.signal.discret.svg samplingresolution=8 sampling rate = 1/t 4 5 4 3 4 6 7 5 3 3 4 4 3 100 101 100 011 100 110 111 101 011 011 100 100 011
  39. 39. Kontinuierlich vs. Diskret Bildnachweis: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital.signal.svg samplingresolution=8 (Abtasttiefe) sampling rate = 1/t (Abtastrate)
  40. 40. Sampling Rate: Aliasing  Problem: Beliebig viele Wellen lassen sich auf die Abtastpunkte mappen  Lösung: Welle mit niedrigster Frequenz wählen Bildnachweis: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:AliasingSines.svg
  41. 41. 𝑓𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑟𝑎𝑡𝑒 ≥ 2 ⋅ 𝑓𝑚𝑎𝑥 Ein Signal mit einer maximalen Frequenz von 𝑓𝑚𝑎𝑥 muss mindestens mit der doppelten Frequenz von 𝑓𝑚𝑎𝑥 abgetastet werden um es aus dem zeitdiskreten Signal fehlerfrei rekonstruieren zu können. praxis: Da menschliche Ohren Schallwellen von maximal 22.000 Hz (= 22 kHz) wahrnehmen können, liegt die erforderliche Nyquist-Rate bei 44.000 Hz.  Qualitativ hochwertige Audio-Digitalisate haben darum eine Abtastrate von 44.100 Hz. Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem
  42. 42.  Drei Kategorien  Unkomprimiert (bspw. WAV, AIFF)  Verlustfrei komprimiert (bspw. FLAC)  Verlustbehaftet komprimiert (bspw. mp3) Verschiedene Audioformate
  43. 43.  Header  ChunkID: „RIFF“ um Datei als Resource Interchange File Format kenntlich zu machen  ChunkSize: Größe der Datei minus ChunkID und ChunkSize  Format: „WAVE“  fmt-Chunk: beschreibt das Format der Nutzdaten  NumChannels: 1 – Mono, 2 – Stereo, etc  SampleRate: 44100 für CD-Qualität  BitsPerSample: Sampling Resolution, üblicherweise 16  …  data-Chunk: enthält die eigentlichen Daten (die Welle) Das WAVE-Format
  44. 44.  Sampling rate: 44100 Hz  Sampling resolution: 16 Bit → 65536 mögliche Werte  1 s WAV-Datei → 88200 Byte + Header  3 min 20 s WAV-Datei → ~16,8 Mbyte Wie groß ist der Speicherplatzbedarf (unkomprimiert) einer klassischen Aufnahme in CD Qualität (Stereo, 16 Bit) mit 60-minütiger Laufzeit? Audio-CD
  45. 45. Wie groß ist der Speicherplatzbedarf (unkomprimiert) einer klassischen Aufnahme in CD Qualität (Stereo, 16 Bit) mit 60-minütiger Laufzeit? Lösung  Das Audiosignal wird standardmäßig mit 44,1 KHz abgetastet.  Die Abtasttiefe liegt bei 16 Bit.  Daraus folgt: 44,1kHz * 2 * 16bit * 60 min * 60 s = 635 Megabyte Speicherplatzbedarf
  46. 46.  WAV, AIFF, uvm. enthalten eine diskrete Abbildung einer Schallwelle  Diese Formate bilden die Basis der digitalen Seite einer Schnittstelle zur Außenwelt  Eine Soundkarte sendet elektrische Impulse die einer Schallwelle entsprechen  Ein Lautsprecher erzeugt aus diesen Impulsen Schallwellen  (Umgekehrt für Mikrofon)  Andere Formate wie bspw. mp3 müssen vor der Wiedergabe decodiert werden um in eine WAV- ähnliche Form gebracht zu werden Unkomprimierte Audioformate
  47. 47.  Menschliche Wahrnehmungsgrenzen verwenden  Töne die nicht vom Menschen wahrgenommen werden können, werden nicht mit kodiert  Geschieht in WAV auch: Samplingrate von 44100 Hz bedingt eine Maximalfrequenz von 22050 Hz. Das menschliche Ohr nimmt Töne im Bereich von ca. 20 Hz bis 22 kHz wahr. Alles darüber kann vernachlässigt werden.  Bei mp3 werden aber auch andere Daten nicht gespeichert → Psychoakustische Kompressionsverfahren
  48. 48. Bildnachweis: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hoerflaeche.svg
  49. 49.  Töne unterschiedlicher Frequenz werden vom Menschen unterschiedlich Laut wahrgenommen (1 kHz bis 5 kHz am lautesten) Psychoakustische Kompressionsverfahren
  50. 50.  Töne unterschiedlicher Frequenz werden vom Menschen unterschiedlich Laut wahrgenommen (1 kHz bis 5 kHz am lautesten)  Laute Töne „verdecken“ leise Töne, die eine ähnliche Tonhöhe haben und etwa zeitgleich stattfinden. Psychoakustische Kompressionsverfahren Quelle: http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Maskierung-masking.html
  51. 51.  Zusammen mit der auch sonst gegebenen frequenzabhängigen Hörschwelle bildet sich so eine neue Hörschwelle  Töne unterhalb dieser Schwelle werden nicht kodiert Psychoakustische Kompressionsverfahren Quelle: http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Maskierung-masking.html
  52. 52. Hörschwellenmaskierung  Signale werden aus Frequenzspektrum entfernt, die jenseits der (menschlichen) Hörschwelle liegen Frequenzmaskierung  Entfernung von Signalen, die von Signalen mit einer anderen Frequenz übertönt werden Temporale Maskierung  Auch zeitliche Abstände zwischen Tönen haben einen Einfluss auf die Hörbarkeit:  Geht einem starken Ton A ein schwächerer Ton B in ähnlicher oder gleicher Frequenz voraus oder folgt ihm, so gibt es zeitliche Abstände von bestimmter Dauer, in denen Ton B nicht zu hören ist. Kompression: Psychoakkustische Aspekte Bildnachweis: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:24h_wecker.jpg&filetimestamp=20090809180759
  53. 53. /

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