1 Windows位图和调色板

1.1 位图和调色板的概念

如今Windows(3.x以及9598NT)系列已经成为绝大多数用户使用的操作系统,它比DOS成功的一个重要因素是它可视化的漂亮界面。那么Windows是如何显示图象的呢?这就要谈到位图(bitmap)

我们知道,普通的显示器屏幕是由许许多多点构成的,我们称之为象素。显示时采用扫描的方法:电子枪每次从左到右扫描一行,为每个象素着色,然后从上到下这样扫描若干行,就扫过了一屏。为了防止闪烁,每秒要重复上述过程几十次。例如我们常说的屏幕分辨率为640×480,刷新频率为70Hz,意思是说每行要扫描640个象素,一共有480行,每秒重复扫描屏幕70次。

我们称这种显示器为位映象设备。所谓位映象,就是指一个二维的象素矩阵,而位图就是采用位映象方法显示和存储的图象。举个例子,图1.1是一幅普通的黑白位图,图1.2是被放大后的图,图中每个方格代表了一个象素。我们可以看到:整个骷髅就是由这样一些黑点和白点组成的。

1.1    骷髅

1.2     放大后的骷髅位图

那么,彩色图是怎么回事呢?

我们先来说说三元色RGB概念。

我们知道,自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝(RGB)组合而成。有的颜色含有红色成分多一些,如深红;有的含有红色成分少一些,如浅红。针对含有红色成分的多少,可以分成0255256个等级,0级表示不含红色成分;255级表示含有100%的红色成分。同样,绿色和蓝色也被分成256级。这种分级概念称为量化。

这样,根据红、绿、蓝各种不同的组合我们就能表示出256×256×256,约1600万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来说已经足够丰富了。

1.1     常见颜色的RGB组合值

颜色

R

G

B

255

0

0

0

255

0

绿

0

0

255

255

255

0

255

0

255

0

255

255

255

255

255

0

0

0

128

128

128

你大概已经明白了,当一幅图中每个象素赋予不同的RGB值时,能呈现出五彩缤纷的颜色了,这样就形成了彩色图。的确是这样的,但实际上的做法还有些差别。

让我们来看看下面的例子。

有一个长宽各为200个象素,颜色数为16色的彩色图,每一个象素都用RGB三个分量表示。因为每个分量有256个级别,要用8(bit),即一个字节(byte)来表示,所以每个象素需要用3个字节。整个图象要用200×200×3,约120k字节,可不是一个小数目呀!如果我们用下面的方法,就能省的多。

因为是一个16色图,也就是说这幅图中最多只有16种颜色,我们可以用一个表:表中的每一行记录一种颜色的RGB值。这样当我们表示一个象素的颜色时,只需要指出该颜色是在第几行,即该颜色在表中的索引值。举个例子,如果表的第0行为25500(红色),那么当某个象素为红色时,只需要标明0即可。

让我们再来计算一下:16种状态可以用4(bit)表示,所以一个象素要用半个字节。整个图象要用200×200×0.5,约20k字节,再加上表占用的字节为3×16=48字节.整个占用的字节数约为前面的1/6,省很多吧?

这张RGB的表,就是我们常说的调色板(Palette),另一种叫法是颜色查找表LUT(Look Up Table),似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术。其实不光是Windows位图,许多图象文件格式如pcxtifgif等都用到了。所以很好地掌握调色板的概念是十分有用的。

有一种图,它的颜色数高达256×256×256种,也就是说包含我们上述提到的RGB颜色表示方法中所有的颜色,这种图叫做真彩色图(true color)。真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色,而是说它具有显示所有颜色的能力,即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时,每个象素直接用RGB三个分量字节表示,而不采用调色板技术。原因很明显:如果用调色板,表示一个象素也要用24位,这是因为每种颜色的索引要用24(因为总共有224种颜色,即调色板有224),和直接用RGB三个分量表示用的字节数一样,不但没有任何便宜,还要加上一个256×256×256×3个字节的大调色板。所以真彩色图直接用RGB三个分量表示,它又叫做24位色图。

1.2 bmp文件格式

介绍完位图和调色板的概念,下面就让我们来看一看Windows的位图文件(.bmp文件)的格式是什么样子的。

bmp文件大体上分成四个部分,如图1.3所示。

位图文件头BITMAPFILEHEADER

位图信息头BITMAPINFOHEADER

调色板Palette

实际的位图数据ImageDate

1.3     Windows位图文件结构示意图

第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER,是一个结构,其定义如下:

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {

WORD           bfType;

DWORD bfSize;

WORD           bfReserved1;

WORD           bfReserved2;

DWORD bfOffBits;

} BITMAPFILEHEADER;

这个结构的长度是固定的,为14个字节(WORD为无符号16位整数,DWORD为无符号32位整数),各个域的说明如下:

bfType

指定文件类型,必须是0x424D,即字符串“BM”,也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是“BM”。

bfSize

指定文件大小,包括这14个字节。

bfReserved1bfReserved2     

为保留字,不用考虑

bfOffBits

为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数,即图1.3中前三个部分的长度之和。

第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER,也是一个结构,其定义如下:

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{

DWORD  biSize;

LONG            biWidth;

LONG            biHeight;

WORD           biPlanes;

WORD           biBitCount

DWORD  biCompression;

DWORD  biSizeImage;

LONG            biXPelsPerMeter;

LONG            biYPelsPerMeter;

DWORD  biClrUsed;

DWORD  biClrImportant;

} BITMAPINFOHEADER;

这个结构的长度是固定的,为40个字节(LONG32位整数),各个域的说明如下:

biSize

指定这个结构的长度,为40

biWidth

指定图象的宽度,单位是象素。

biHeight

指定图象的高度,单位是象素。

biPlanes

必须是1,不用考虑。

biBitCount

指定表示颜色时要用到的位数,常用的值为1(黑白二色图), 4(16色图), 8(256), 24(真彩色图)(新的.bmp格式支持32位色,这里就不做讨论了)

biCompression

指定位图是否压缩,有效的值为BI_RGBBI_RLE8BI_RLE4BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是,Windows位图可以采用RLE4,和RLE8的压缩格式,但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况,即biCompressionBI_RGB的情况。

biSizeImage

指定实际的位图数据占用的字节数,其实也可以从以下的公式中计算出来:

biSizeImage=biWidth’ × biHeight

要注意的是:上述公式中的biWidth’必须是4的整倍数(所以不是biWidth,而是biWidth’,表示大于或等于biWidth的,最接近4的整倍数。举个例子,如果biWidth=240,则biWidth’=240;如果biWidth=241biWidth’=244)

如果biCompressionBI_RGB,则该项可能为零

biXPelsPerMeter

指定目标设备的水平分辨率,单位是每米的象素个数,关于分辨率的概念,我们将在第4章详细介绍。

biYPelsPerMeter

指定目标设备的垂直分辨率,单位同上。

biClrUsed

指定本图象实际用到的颜色数,如果该值为零,则用到的颜色数为2biBitCount

biClrImportant

指定本图象中重要的颜色数,如果该值为零,则认为所有的颜色都是重要的。

第三部分为调色板Palette,当然,这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图,如真彩色图,前面已经讲过,是不需要调色板的,BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。

调色板实际上是一个数组,共有biClrUsed个元素(如果该值为零,则有2biBitCount个元素)。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构,占4个字节,其定义如下:

typedef struct tagRGBQUAD {

BYTE    rgbBlue; //该颜色的蓝色分量

BYTE    rgbGreen; //该颜色的绿色分量

BYTE    rgbRed; //该颜色的红色分量

BYTE    rgbReserved; //保留值

} RGBQUAD;

第四部分就是实际的图象数据了。对于用到调色板的位图,图象数据就是该象素颜在调色板中的索引值。对于真彩色图,图象数据就是实际的RGB值。下面针对2色、16色、256色位图和真彩色位图分别介绍。

对于2色位图,用1位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑,1表示白),所以一个字节可以表示8个象素。

对于16色位图,用4位可以表示一个象素的颜色,所以一个字节可以表示2个象素。

对于256色位图,一个字节刚好可以表示1个象素。

对于真彩色图,三个字节才能表示1个象素,哇,好费空间呀!没办法,谁叫你想让图的颜色显得更亮丽呢,有得必有失嘛。

要注意两点:

(1)    每一行的字节数必须是4的整倍数,如果不是,则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage时已经提到了。

(2)    一般来说,.bMP文件的数据从下到上,从左到右的。也就是说,从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个象素,然后是左边第二个象素……接下来是倒数第二行左边第一个象素,左边第二个象素……依次类推 ,最后得到的是最上面一行的最右一个象素。

好了,终于介绍完bmp文件结构了,是不是觉得头有些大?别着急,对照着下面的程序,你就会很清楚了(我最爱看源程序了,呵呵)

1.3 显示一个bmp文件的C程序

下面的函数LoadBmpFile,其功能是从一个.bmp文件中读取数据(包括BITMAPINFOHEADER,调色板和实际图象数据),将其存储在一个全局内存句柄hImgData中,这个hImgData将在以后的图象处理程序中用到。同时填写一个类型为HBITMAP的全局变量hBitmap和一个类型为HPALETTE的全局变量hPalette。这两个变量将在处理WM_PAINT消息时用到,用来显示位图。该函数的两个参数分别是用来显示位图的窗口句柄,和.bmp文件名(全路径)。当函数成功时,返回TRUE,否则返回FALSE

BITMAPFILEHEADER  bf;

BITMAPINFOHEADER bi;

BOOL LoadBmpFile (HWND hWnd,char *BmpFileName)

{  

HFILE                      hf; //文件句柄

//指向BITMAPINFOHEADER结构的指针

LPBITMAPINFOHEADER    lpImgData;

LOGPALETTE                           *pPal; //指向逻辑调色板结构的指针

LPRGBQUAD                            lpRGB; //指向RGBQUAD结构的指针

HPALETTE                               hPrevPalette; //用来保存设备中原来的调色板

HDC                                         hDc; //设备句柄

HLOCAL                                   hPal; //存储调色板的局部内存句柄

DWORD                                   LineBytes;  //每一行的字节数

DWORD                                   ImgSize;   //实际的图象数据占用的字节数

//实际用到的颜色数 ,即调色板数组中的颜色个数

DWORD                                   NumColors;

DWORD                                   i;

if((hf=_lopen(BmpFileName,OF_READ))==HFILE_ERROR){

MessageBox(hWnd,"File c:\\test.bmp not found!","Error Message",

MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);

return FALSE; //打开文件错误,返回

}

//BITMAPFILEHEADER结构从文件中读出,填写到bf

_lread(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER));

//BITMAPINFOHEADER结构从文件中读出,填写到bi

_lread(hf,(LPSTR)&bi,sizeof(BITMAPINFOHEADER));

//我们定义了一个宏 #define WIDTHBYTES(i)    ((i+31)/32*4)上面曾经

//提到过,每一行的字节数必须是4的整倍数,只要调用

//WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount)就能完成这一换算。举一个例

//子,对于2色图,如果图象宽是31,则每一行需要31位存储,合3

//字节加7位,因为字节数必须是4的整倍数,所以应该是4,而此时的

//biWidth=31,biBitCount=1,WIDTHBYTES(31*1)=4,和我们设想的一样。

//再举一个256色的例子,如果图象宽是31,则每一行需要31个字节存

//储,因为字节数必须是4的整倍数,所以应该是32,而此时的

//biWidth=31,biBitCount=8,WIDTHBYTES(31*8)=32,我们设想的一样。你可

//以多举几个例子来验证一下

//LineBytes为每一行的字节数

LineBytes=(DWORD)WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount);

//ImgSize为实际的图象数据占用的字节数

ImgSize=(DWORD)LineBytes*bi.biHeight;

//NumColors为实际用到的颜色数 ,即调色板数组中的颜色个数

if(bi.biClrUsed!=0)

//如果bi.biClrUsed不为零,即为实际用到的颜色数

NumColors=(DWORD)bi.biClrUsed;

else //否则,用到的颜色数为2biBitCount

switch(bi.biBitCount){

case 1:

NumColors=2;

                     break;

                      case 4:

NumColors=16;

                    break;

       case 8:

           NumColors=256;

           break;

       case 24:

           NumColors=0; //对于真彩色图,没用到调色板

           break;

default: //不处理其它的颜色数,认为出错。

MessageBox(hWnd,"Invalid color numbers!","Error Message",

MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);

_lclose(hf);

                     return FALSE; //关闭文件,返回FALSE

}

if(bf.bfOffBits!=(DWORD)(NumColors*sizeof(RGBQUAD)+

sizeof(BITMAPFILEHEADER)+

sizeof(BITMAPINFOHEADER)))

{

//计算出的偏移量与实际偏移量不符,一定是颜色数出错

   MessageBox(hWnd,"Invalid color numbers!","Error Message",

MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);

_lclose(hf);

return FALSE; //关闭文件,返回FALSE

}

bf.bfSize=sizeof(BITMAPFILEHEADER)+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+

NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize;

//分配内存,大小为BITMAPINFOHEADER结构长度加调色板+实际位图

if((hImgData=GlobalAlloc(GHND,(DWORD)

(sizeof(BITMAPINFOHEADER)+

NumColors*sizeof(RGBQUAD)+

ImgSize)))==NULL)

{

//分配内存错误

MessageBox(hWnd,"Error alloc memory!","ErrorMessage",MB_OK|

                 MB_ICONEXCLAMATION);

_lclose(hf);

return FALSE; //关闭文件,返回FALSE

}

//指针lpImgData指向该内存区

lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);

//文件指针重新定位到BITMAPINFOHEADER开始处

_llseek(hf,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_SET);

//将文件内容读入lpImgData

_hread(hf,(char *)lpImgData,(long)sizeof(BITMAPINFOHEADER)

+(long)NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize);

_lclose(hf); //关闭文件

if(NumColors!=0) //NumColors不为零,说明用到了调色板

{

//为逻辑调色板分配局部内存,大小为逻辑调色板结构长度加

//NumColorsPALETTENTRY

hPal=LocalAlloc(LHND,sizeof(LOGPALETTE)+

NumColors* sizeof(PALETTEENTRY));

//指针pPal指向该内存区

pPal =(LOGPALETTE *)LocalLock(hPal);

   //填写逻辑调色板结构的头

pPal->palNumEntries = NumColors;

   pPal->palVersion = 0x300;

//lpRGB指向的是调色板开始的位置

lpRGB = (LPRGBQUAD)((LPSTR)lpImgData +

(DWORD)sizeof(BITMAPINFOHEADER));

//填写每一项

for (i = 0; i < NumColors; i++)

   {

pPal->palPalEntry[i].peRed=lpRGB->rgbRed;

pPal->palPalEntry[i].peGreen=lpRGB->rgbGreen;

pPal->palPalEntry[i].peBlue=lpRGB->rgbBlue;

pPal->palPalEntry[i].peFlags=(BYTE)0;

lpRGB++; //指针移到下一项

}

//产生逻辑调色板,hPalette是一个全局变量

hPalette=CreatePalette(pPal);

//释放局部内存

LocalUnlock(hPal);

LocalFree(hPal);

}

//获得设备上下文句柄

hDc=GetDC(hWnd);

if(hPalette) //如果刚才产生了逻辑调色板

{

//将新的逻辑调色板选入DC,将旧的逻辑调色板句柄保存在//hPrevPalette

hPrevPalette=SelectPalette(hDc,hPalette,FALSE);

RealizePalette(hDc);

}

//产生位图句柄

hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,

(LONG)CBM_INIT,

(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),

(LPBITMAPINFO)lpImgData, DIB_RGB_COLORS);

//将原来的调色板(如果有的话)选入设备上下文句柄

if(hPalette && hPrevPalette)

{

SelectPalette(hDc,hPrevPalette,FALSE);

RealizePalette(hDc);

}

ReleaseDC(hWnd,hDc); //释放设备上下文

GlobalUnlock(hImgData); //解锁内存区

return TRUE; //成功返回

}

对上面的程序要说明两点:

(1)    对于需要调色板的图,要想正确地显示,必须根据bmp文件,产生逻辑调色板。产生的方法是:①为逻辑调色板指针分配内存,大小为逻辑调色板结构(LOGPALETTE)长度加NumColorsPALETTENTRY大小(调色板的每一项都是一个PALETTEENTRY结构);②填写逻辑调色板结构的头pPal->palNumEntries = NumColors; pPal->palVersion = 0x300;③从文件中读取调色板的RGB值,填写到每一项中;④产生逻辑调色板:hPalette=CreatePalette(pPal)

(2)    产生位图(BITMAP)句柄,该项工作由函数CreateDIBitmap来完成。

hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,

(LONG)CBM_INIT,

(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),

(LPBITMAPINFO)lpImgData, DIB_RGB_COLORS);

CreateDIBitmap的作用是产生一个和Windows设备无关的位图。该函数的第一项参数为设备上下文句柄。如果位图用到了调色板,要在调用CreateDIBitmap之前将逻辑调色板选入该设备上下文中,产生hBitmap后,再把原调色板选入该设备上下文中,并释放该上下文;第二项为指向BITMAPINFOHEADER的指针;第三项就用常量CBM_INI,不用考虑;第四项为指向调色板的指针;第五项为指向BITMAPINFO(包括BITMAPINFOHEADER,调色板,及实际的图象数据)的指针;第六项就用常量DIB_RGB_COLORS,不用考虑。

上面提到了设备上下文,相信编过Windows程序的读者对它并不陌生,这里再简单介绍一下。Windows操作系统统一管理着诸如显示,打印等操作,将它们看作是一个个的设备,每一个设备都有一个复杂的数据结构来维护。所谓设备上下文就是指这个数据结构。然而,我们不能直接和这些设备上下文打交道,只能通过引用标识它的句柄(实际上是一个整数),让Windows去做相应的处理。

产生的逻辑调色板句柄hPalette和位图句柄hBitmap要在处理WM_PAINT消息时使用,这样才能在屏幕上显示出来,处理过程如下面的程序。

Static      HDC              hDC,hMemDC;

PAINTSTRUCT            ps;

case WM_PAINT:

{

hDC = BeginPaint(hwnd, &ps); //获得屏幕设备上下文

if (hBitmap) //hBitmap一开始是NULL,当不为NULL时表示有图

{

hMemDC = CreateCompatibleDC(hDC); //建立一个内存设备上下文

if (hPalette) //有调色板

{

//将调色板选入屏幕设备上下文

SelectPalette (hDC, hPalette, FALSE);

//将调色板选入内存设备上下文

SelectPalette (hMemDC, hpalette, FALSE);

RealizePalette (hDC);

}

//将位图选入内存设备上下文

SelectObject(hMemDC, hBitmap);

//显示位图

BitBlt(hDC, 0, 0, bi.biWidth, bi.biHeight, hMemDC, 0, 0, SRCCOPY);

//释放内存设备上下文

DeleteDC(hMemDC);

}

//释放屏幕设备上下文

EndPaint(hwnd, &ps);

break;

}

在上面的程序中,我们调用CreateCompatibleDC创建一个内存设备上下文。SelectObject函数将与设备无关的位图选入内存设备上下文中。然后我们调用BitBlt函数在内存设备上下文和屏幕设备上下文中进行位拷贝。由于所有操作都是在内存中进行,所以速度很快。

BitBlt函数的参数分别为:1.目标设备上下文,在上面的程序里,为屏幕设备上下文,如果改成打印设备上下文,就不是显示位图,而是打印;2.目标矩形左上角点x坐标;3. 目标矩形左上角点y坐标,在上面的程序中,23(00),表示显示在窗口的左上角;4.目标矩形的宽度;5. 目标矩形的高度;6. 源设备上下文,在上面的程序里,为内存设备上下文;7. 源矩形左上角点x坐标;8. 源矩形左上角点y坐标;9.操作方式,在这里为SRCCOPY,表示直接将源矩形拷贝到目标矩形。还可以是反色,擦除,做“与”运算等操作,具体细节见VC++帮助。你可以试着改改第2345789项参数,就能体会到它们的含义了。

哇,终于讲完了。是不是觉得有点枯燥?这一章是有点儿枯燥,特别是当你对Windows的编程并不清楚时,就更觉得如此。不过,当一幅漂亮的bmp图显示在屏幕上时,你还是会兴奋地大叫“Yeah!”,至少当年我是这样。

在本书的附盘中包含所有的源程序,包括头文件和资源文件和例图。特别要注意的是,退出时,别忘了释放内存和资源,这是每个程序员应该养成的习惯。这些个程序并不是很完善,例如,如果一幅图很大,屏幕显示不下怎么办?你可以试着自己加上滚动条。另外,为了节省篇幅,.bmp文件名被固定为c:\test.bmp,可以自己加入打开文件对话框,任意选择你要显示的文件。图1.4为程序运行时的画面。

1.4     运行时的画面

最后,再介绍一个命令行编译的窍门。为什么要用命令行编译呢?主要有两个好处:第一,不用进入IDE(集成开发环境),节省了时间,而且编译速度也比较快;第二,对于简单的程序,不用生成项目文件.mdp.mak,直接就能生成.exe文件,这一点,在下面的例子中可以看到。

在安装完Visual C++时,在bin目录下会产生一个VCVARS32.BAT文件,它的作用是在命令行编译时设置正确的环境变量,如存放头文件的INCLUDE目录,存放库文件的LIB目录等。如果你没找到这个批处理文件,可以参考下面的例子,自己做一个批处理。

@echo off

set MSDevDir=d:\MSDEV

set VcOsDir=WIN95

set PATH="%MSDevDir%\BIN";"%MSDevDir%\BIN\%VcOsDir%";"%PATH%"

set INCLUDE=%MSDevDir%\INCLUDE;%MSDevDir%\MFC\INCLUDE;

%INCLUDE%

set LIB=%MSDevDir%\LIB;%MSDevDir%\MFC\LIB;%LIB%

set VcOsDir=

只要把上面的“d:\MSDEV”改成你自己的VC目录就可以了。在DOS PROMPT下执行该批处理文件,执行set命令,你就能看到新设置的环境变量了。如下所示:

PATH=D:\MSDEV\BIN;D:\MSDEV\BIN\WIN95;C:\WIN95;C:\WIN95\COMMAND;C:\WIN95\SYSTEM;

INCLUDE=d:\msdev\INCLUDE;d:\msdev\MFC\INCLUDE;

LIB=d:\msdev\LIB;d:\msdev\MFC\LIB;

现在我们就可以进行命令行编译了。首先编译资源文件,输入rc bmp.rc,将生成bmp.res文件,接着输入cl bmp.c bmp.res user32.lib gdi32.lib,就生成bmp.exe 了。可以看到,我们并没有用到项目文件,所以,对于这种简单的程序来说,使用命令行编译还是非常方便的。

有时命令行编译会出现“Out of enviroment space”的错误,那是因为command.com缺省的初始环境变量内存太小,首先执行command /e:2048 (或更大)命令即可解决改问题。

使用ide的方法是:new project,类型是win32 application->empty project,然后把.h,.rc,.c文件add to project编译即可。

好了,运行bmp.exe,欣赏一下你今天的劳动成果。

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