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Rohdatenformat

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Als Rohdatenformat (RAW oder Raw) (engl. raw „roh“) bezeichnet man ein jeweils modellabhängiges Dateiformat bei Digitalkameras, bei dem die Kamera die Daten nach der Digitalisierung weitgehend ohne Bearbeitung auf das Speichermedium schreibt. Die Schreibweise Raw wurde analog zur Schreibweise RAW von Adobe eingeführt.

Obwohl sich die grundlegenden Funktionsweisen der digitalen Bildsensoren verschiedener Hersteller und Modelle nicht wesentlich voneinander unterscheiden, sind die abgespeicherten Rohdatenformate zueinander nicht kompatibel.

Funktionsweise

Die digitalen Rohdaten liegen nach dem Aufnehmen und Speichern in einem proprietären Format vor, das, wenn es nicht durch Reverse-Engineering entschlüsselt wurde, nur mit der Software des jeweiligen Herstellers oder einigen speziellen Anwendungen von Drittanbietern verarbeitet werden kann. Aktuelle Bildbearbeitungssoftware besitzt jedoch integrierte Raw-Konverter für das Einlesen von Rohbildern, jedoch ist dies und deren Verarbeitung ressourcenintensiv und zeitaufwendiger. Viele Kameras binden ein Vorschaubild als JPEG in die Datei ein, das kameraintern für die Bildkontrolle benutzt wird und auch am Computer eine schnelle Vorschau ermöglicht.

Gebräuchliche JPEG-Varianten erlauben pro Farbkanal nur 256 Helligkeitsabstufungen (8 Bit), demgegenüber enthalten Rohdatenformate meist 10, 12 oder 14 Bit an Helligkeitsinformation, was 1.024 bis 16.384 Helligkeitsabstufungen erlaubt. Aufgrund der Charakteristik des üblicherweise eingesetzten Bayer-Sensors, bei dem vor jedem Bildpunkt ein Filter für eine der drei Grundfarben liegt, ist erst eine aufwendige Interpolation notwendig, um bei voller Auflösung die resultierenden Farben zu errechnen.

Gegenüberstellung

RAW JPEG
Flexibilität Die rein kameraseitig zu beachtenden Bildparameter sind lediglich Blende, Belichtungszeit sowie Lichtempfindlichkeit.

Alle anderen Parameter können später im Zug der Raw-Konvertierung beliebig gewählt werden, darunter auch der verwendete Interpolations-Algorithmus.

Zusätzlich sind vom Fotografen technische Aspekte und Vorverarbeitungsschritte zu berücksichtigen, wie z.B. Weißabgleich, Farbsättigung bzw. angewandter Farbfilter (für Schwarz-Weiß-Fotografie), Farbraum, Kontrast, Schärfe, Rauschunterdrückung, gewählte Sensorauflösung und JPEG-Kompressionsrate, sowie individuelle Korrekturen (z.B. von Hauttönen).

Eine nächträgliche Korrektur mit Bildbearbeitungsprogrammen ist auch an vorverarbeiteten JPEG-Bildern möglich, jedoch Grenzen unterworfen und stets mit Verlusten an Bildinformation und -details verbunden. Die von einer Bayer-Kamera verwendete Interpolation ist nachträglich nicht mehr änderbar.

Bildqualität Durch Speicherung der (uninterpolierten) Sensordaten mit 10, 12, oder 14 Bit pro Pixel ist ein größerer Dynamikumfang und eine genauere Helligkeitsauflösung gegeben. Auch die Werte nicht zu sehr unter- oder überbelichteter Bildbereiche sind meist noch in nutzbarer Form vorhanden. Sämtliche vom Bildsensor erfassten Details bleiben vollständig erhalten. Nur 8 Bit pro Pixel (und Farbkanal) bedeuten durchschnittlich nur etwa 7 Blendenstufen an Dynamik, mehr als nur marginal unter- oder überbelichtete Bildbereiche sind damit nicht mehr darstellbar. Zusätzlich erzeugt die stets verlustbehaftete Kompression, neben dem Verlust an Bilddetails, besonders in kontrastschwachen Arealen typische DCT-Artefakte, deren Verstärkung (z.B. durch Curves oder Unscharfmaskieren) bei folgenden Nachbearbeitungsschritten berücksichtigt und vermieden werden muss.
Dateigröße Die Dateien sind, trotz angewandter Kompressionsverfahren, aufgrund ihres Informationsgehaltes immer sehr viel größer als ihre JPEG-Äquivalente, zumal sie bei den meisten Herstellern neben den Rohdaten noch zusätzlich das von der Kamera generierte JPEG-Bild als Vorschau enthalten.

Selbst auf sehr großen Speichermedien können bei hochauflösenden Kamera oft nur wenige hundert Bilder abgelegt werden. Das Schreiben der Dateien dauert prinzipiell immer wesentlich länger, so dass ein großer kamerainterner Puffer sowie eine hohe Schreibgeschwindigkeit (z.B. via UDMA) vonnöten ist, um im Raw-Modus eine akzeptable Serienbildgeschwindigkeit zu erreichen und über längere Zeit aufrechtzuerhalten.

Auch bei Kameras mit hoher Pixelzahl und geringer JPEG-Kompression sind die Dateien trotz guter Qualität üblicherweise nur wenige Megabyte groß und können z.B. problemlos per Mail oder MMS verschickt werden.

Selbst Speicherkarten nur mittlerer Größe fassen mehrere hundert bis (bei stärkerer Kompression) einige tausend Bilder. Aufgrund der geringen Datenmenge und des sehr viel länger reichenden Kamerapuffers spielt die Schreibgeschwindigkeit keine so herausragende Rolle, und auch langsamere Karten können im Serienbildmodus länger mit der Kamera "mithalten". Entscheidend ist hier die Geschwindigkeit des kamerainternen Prozessors.

Kompatibilität Die Rohformate der einzelnen Hersteller unterscheiden sich voneinander und sind nicht kompatibel. Auch innerhalb einer Modellreihe gibt es Unterschiede und Abweichungen. Daher ist spezielle Raw-Konverter-Software, entweder einzeln oder als Plugin in ein anderes Programm integriert, für die Verwendung notwendig. Auch wenn derzeit (Stand Mai 2010) die meisten dieser Programme mit fast allen am Markt befindlichen Rohdatenformaten umgehen können, gibt es keine Garantie, dass dies jederzeit so bleiben wird. Ein Ausweg wäre die Verwendung eines dokumentierten, einheitlichen und, herstellerunabhängigen Speicherformates (z.B. Adobes Digital Negative), ein anderer die vollständige und frei zugängliche Dokumentation der Rohdatenformate durch die jeweiligen Hersteller. Praktisch alle vorhandenen Bildver- und Bearbeitungsprogramme unterstützen den offenen JPEG-Standard und können die Dateien sowohl lesen als auch schreiben, unabhängig von ihrer Herkunft.
Nachbearbeitung Die Rohdaten müssen stets nachverarbeitet werden, um angezeigt, belichtet oder bearbeitet zu werden. Der Hauptschritt (bei Bayer-Daten), die Interpolation und das Auflösen des Mosaik-Musters sowie die Rauschunterdrückung kann dabei bedeutend mehr Zeit in Anspruch nehmen, als die darauf optimierten kamerainternen Bildsignalprozessoren für den gleichen Schritt brauchen. Bedingt ist dies auch durch den Kompromiss, den die Hersteller eingehen müssen, um die Interpolation schnell genug und doch mit akzeptabler Qualität durchzuführen. Besonders an den Rändern kommt es dabei zu Problemen, weswegen nachträglich konvertierte Rohbilder unter Umständen größere Bilddimensionen aufweisen[1].

Ausgefeilte Software-Interpolationsalgorithmen sowie eine oft mehrstufige Wavelet- oder Motiv-basierte Rauschunterdrückung bedingen durch die in 16 Bit Integer oder Fließkomma durchgeführten Berechnungen eine hohe Systemlast und einen beträchtlichen Speicherbedarf, der z.B. von LowEnd-Systemen nicht befriedigend gedeckt werden kann.

Eine verlustfreie Nachbearbeitung ist möglich, jedoch auf bestimmte Vorgänge begrenzt (Rotieren um ein Vielfaches von 90° sowie Zuschneiden um ein Vielfaches von 16 Pixeln). Bei allen anderen Veränderungen tritt ein Generationenschwund auf, da JPEG eine verlustbehaftete Kompression verwendet. Als Speicherformat ist es daher während der Nachbearbeitung ungeeignet und es muss auf ein anderes Format (z.B. PNG) zurückgegriffen werden, wenn die Dateien nicht nur vom jeweils verwendenen Bildbearbeitungsprogramm zu lesen sein sollen.

Die Nachbearbeitung stellt keine wesentlichen Ansprüche an Rechenzeit und Speicherausbau und kann z.B. auch auf mobilen oder embedded Systemen mit nur begrenzten Systemressourcen erfolgen.

Eigenheiten der Hersteller

Kameraseitig vorbearbeitete Rohdaten

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Im Widerspruch zur strengen Auslegung von Rohbilddateien als ein Abbild der Rohdaten des Bildsensors, führen Hersteller zunehmend eine kamerainterne Bildbearbeitung auch auf Rohbilddateien durch, deren Details jedoch, ähnlich der internen Bildbearbeitung von JPEG-Dateien, i.d.R. nicht offengelegt werden. Folgende Gründe kommen in Betracht:

  • Einige Sensoren implementieren keine variable Signalverstärkung. Hier werden (beliebig hohe) ISO-Empfindlichkeiten durch die Anwendung eines Multiplikators auf Raw-Bilddaten nachträglich simuliert. Dies wird dadurch evident, dass bei höheren ISO-Werten viele Helligkeits-Zwischenwerte im Bild niemals vorkommen, sowie auch dadurch, dass das Rauschen theoretisch mathematisch exakt proportional zur ISO-Empfindlichkeit ansteigt.
  • Annahme, dass (herstellerfremde) Raw-Konvertierungs-Software weniger Information über die Kamera und das gerade verwendete Objektiv besitzt oder nutzt, somit ein Fehlerkorrekturpotential nur unzureichend ausnutzt.
  • Eine Maskierung von Schwächen von Objektiven (z.B. Schärfe) und von Sensoren (z.B. Rauschen). Hier bleibt es jedoch offen, aus welcher Motivation heraus dies geschieht, d.h. ob es im Interesse der Hersteller liegt, auf diesem Wege in Vergleichstests verbesserte Platzierungen für Auflösung (Schärfe), Rauschen, Detailkontrast zu erlangen, und/oder ob sie davon ausgehen, viele Raw-Einsatz-Interessenten seien zu bequem oder zu unversiert oder unmündig, um erfolgreich vergleichbare Korrekturen vorzunehmen; ihnen würde hiermit folglich ein Gefallen getan. Als ein repräsentatives Beispiel kann gelten, dass der DSLR-Marktführer bisweilen Raw-Dateien schärft [2], was aber keineswegs auf nur diesen Hersteller beschränkt sein muss.
  • Hardware-basierte Methoden sind ggf. schneller als Software-basierte Rechenverfahren (z.B. Rauschverminderung auf Sensor-Ebene), jedoch auch dann mit Detailverlusten verbunden.

Abgesehen von dem Qualitätstäuschungseffekt vermindern kameraseitige Raw-Vorverarbeitungen, die immer auch einen Informationsverlust mit sich bringen, das Potential für den Einsatz überlegener Software für Bildqualitätskorrekturen (mit aufwendigeren Algorithmen und motivabhängiger Steuerbarkeit).

Insofern muss diese Entwicklung sehr kritisch betrachtet werden, da sie Fotografen und Tester behindert bzw. entmündigt (keine Zugriffsmöglichkeit mehr auf ein wirklich unbearbeitetes „digitales Negativ“).

Dateiformate

So wie die Daten der verschiedenen Hersteller in unterschiedlichen Rohdatenformaten gespeichert werden, so unterschiedlich ist auch der Umgang der Hersteller mit der Offenlegung ihrer Programmcodes. Sigma legt alle Daten zu ihrem Format offen, während die meisten anderen wie Olympus und Canon ihre Formate nicht oder nur unvollständig dokumentieren. Nikon hat bei seinen Kameras den extremen Weg gewählt und verwendet (teilweise) verschlüsselte Informationen innerhalb der proprietären Rohdatei, welche jedoch mit dem kostenlos erhältlichen SDK automatisch entschlüsselt werden können. Nikon hat Ende 2005 jedoch die verschlüsselten Weißabgleich-Informationen offengelegt, so dass auch Nikon-unabhängige Software in der Lage ist, die Daten zu entschlüsseln. Nikons NEF-Format wird ebenfalls für Filmscanner und Bildbearbeitungssoftware aus dem Hause Nikon verwendet, da es neben den eigentlichen Bilddaten auch Bearbeitungsschritte und andere Einstellungen enthalten kann. Einige Filmscanner sind mit einem Infrarotkanal zur Staub- und Kratzerentfernung ausgerüstet. Das HDRi-Rohdatenformat kann diese Infrarot-Rohdaten als zusätzlichen 16Bit-Kanal aufnehmen.

Mit der Einführung neuer Kameramodelle entstehen auch innerhalb derselben Kamerareihe eines Herstellers (z. B. Canon CRW…CR2) immer neue proprietäre Rohdatenformate. Es gibt jedoch keine Garantie für die Verfügbarkeit von Konvertierungssoftware, d.h. archivierte Rohdaten könnten mit zukünftigen Programmen irgendwann eventuell nicht mehr gelesen werden.

Unter OpenRAW.org hat sich aus diesem Grund eine Interessengruppe gebildet, die die Kamerahersteller auffordert, die Rohdatenformate uneingeschränkt offenzulegen, was dem Anwender auch noch in vielen Jahren ermöglichen würde, seine Rohdaten zu verarbeiten und nötigenfalls selbst ein Programm zur Unterstützung seines mittlerweile veralteten Formats schreiben zu können. Auch der Softwarehersteller Adobe verfolgt dieses Ziel mit der Einführung des DNG-Formats.

TIFF

Vor der Möglichkeit der Rohdatenspeicherung boten einige Hersteller zur Speicherung auch das verlustlose TIFF als Alternative zum JPEG-Format an. Dem Grundprinzip nach hat TIFF aber einzig den Vorteil, dass die verlustbehaftete JPEG-Kompression entfällt. Bayer-Filter, Weißabgleich, Tonwertkorrektur und Rauschunterdrückung wurden ebenso auf die Bilddaten angewandt wie die Reduktion auf 8 Bit pro Farbkanal. Gleichzeitig aber erhöht sich der Bilddatenumfang signifikant: Während beispielsweise ein 5-Megapixel-Bild JPEG-komprimiert selbst bei geringer Kompressionsrate selten mehr als 2 Megabyte benötigt, liegt ein unkomprimiertes Rohbild mit 10 Bit Farbtiefe bei 50 Megabit und somit knapp über 6 Megabyte, ein 24-Bit-TIFF-Bild hingegen bei 15 Megabyte. Ein 48-Bit-TIFF-Bild, das beispielsweise nach der Raw-Konvertierung abgespeichert wird, benötigt 30 Megabyte.

Digitales Negativ

In Anlehnung an den Filmstreifen in der Analog-Fotografie spricht man bei Raw-Fotos manchmal auch vom digitalen Negativ.

Adobe Systems Inc. bemüht sich um die Einführung eines offenen Rohdatenformates. Zu diesem Zweck wurde das Format Adobe DNG (Digital Negative) entwickelt. Bereits heute lassen sich proprietäre Rohdatenformate verlustfrei in DNG umwandeln. (Stand Ende August 2005)

Seit Ende 2005 etablierte sich das öffentliche Rohdatenformat Adobe DNG immer stärker in der Fotoindustrie auch bei Kameraherstellern. Im semiprofessionellen Bereich sind die Marken Samsung (Pro 815) und Ricoh (GR Digital) die ersten, die kameraintern Adobe-DNG-Formate generieren können. Im professionellen Segment sind es Leica (Digital-Modul-R und Leica M8), sowie Hasselblad/Imacon (H2D). Zur Photokina 2006 stellte Pentax das Modell K10D vor, welches neben dem eigenen proprietären Pentax-Format PEF auch DNG unterstützt, ebenso wie die Nachfolgemodelle K20D oder K200D.

Die Vorteile von DNG sind:

  • DNG ist ein offen dokumentierter Dateiformat-Standard, welcher eine Erweiterung bzw. Spezialisierung des lange bewährten und ebenfalls offenen TIFF-Standards ist (in Richtung Rohdatenformat) - was die Softwareentwicklung zum Schreiben und Lesen von DNG-Dateien erheblich vereinfacht (da gängige Software bereits zuverlässig mit dem TIFF-Format umgehen kann). Auch auf der Kamera-Firmware-Seite wird bzw. würde dadurch kaum Entwicklungs-Mehraufwand für eine DNG-Fähigkeit entstehen.
  • DNG erlaubt eine verlustfreie Komprimierung von Rohdaten (erzwingt diese aber nicht). Obwohl bereits auch für TIFF verlustfreie Komprimierung möglich ist, wurde dies für TIFF kaum implementiert (Algorithmen waren nicht standardisiert und/oder nicht Copyright-frei; TIFF-Erzeugungs-Software konnte daher keine Annahmen treffen, welche Komprimierungsarten durch TIFF-Lese-Software akzeptiert wurden). DNG dagegen legt sich auf einen verbindlichen Kompressions-Standard fest, wodurch dieser im Ggs. zu TIFF auch häufig implementiert wird.
  • DNG erlaubt eine 1:1-Einbettung von derzeit noch undokumentierten Hersteller-Informationen zu deren Kamera-/Aufnahmedaten. Dadurch wird diese Information z.B. für zukunftige Softwareversionen bewahrt, sollte die Bedeutung solcher Hersteller-Informationen jemals offengelegt werden, sei es durch den Hersteller selbst oder auch durch Rückwärtsanalyse ("Reverse Engineering").
  • Da DNG auf einem offenen, speziellen TIFF-Standard für Digitalfotos aufbaut, der als erstes Teilbild ein unkomprimiertes, un-rohes Vorschaubild (engl. "Thumbnail") vorschreibt, kann TIFF-fähige Dateibrowser-Software ohne Programmänderung auch DNG-Dateien anhand dieser Vorschaubilder darstellen (vorausgesetzt, die Dateiendung "dng" wird äquivalent zu "tif" berücksichtigt).
  • Sollten in der Zukunft weitere, neuartige Informationen in das DNG-Format aufgenommen werden, kann dies geschehen, ohne das Format selbst grundlegend ändern zu müssen, und ohne ein Versagen von (dann) älterer DNG-Lese-Software zu riskieren. Dies ergibt sich aus der von TIFF geerbten Flexibilität des Dateiformats, in dem Bilddaten und Meta-Daten nicht in starren Strukturen zueinander festgelegt sind, sondern an beliebiger Stelle in der Datei stehen können, wobei sie (bzw ihr Ort in der Datei) von Datei-internen Verzeichnissen beliebiger Länge referenziert werden.

Für die Zukunft wird erhofft, dass aufgrund dieser Vorteile noch mehr Hersteller Adobe DNG bei ihren Kameras implementieren, wodurch der Raw-Workflow für den Fotografen weiter vereinfacht und sicherer wird.

Dateierweiterungen

  • Adobe Digital Negative: .dng
  • Canon Raw: .tif , .crw, .cr2
  • Contax Raw: .raw
  • Epson Raw: .erf
  • Fuji Raw: .raf
  • Hasselblad Raw (3F Raw): .3fr
  • Kodak Raw: .dcr, .dcs .kdc (für EasyShare P850)
  • Leica-Raw: .raw, .dng
  • Mamiya Raw: .mef
  • Minolta Raw: .mrw, .mdc
  • Nikon Raw: .nef
  • Olympus Raw: .orf
  • Panasonic Raw: .raw, .rw2
  • Pentax Raw: .pef, .dng
  • Phase One Raw: .tif
  • Sigma Raw: .x3f
  • Sinar CaptureShop Raw für Macintosh: .cs1, .cs4, .cs16
  • Sony Raw: .srf, .sr2, .arw (für Sony DSLR-α Kameras)

Rohdatenunterstützung im Amateurbereich

Von den Kameraherstellern wird das Rohdatenformat als professionelle Funktion betrachtet, es ist Standard bei den digitalen Spiegelreflexkameras sowie bei manchen semiprofessionellen kompakten Digitalkameras. Oft wird bei den günstigeren Kameramodellen nur eine eingeschränkte Software für die einfache Rohdatenkonvertierung angeboten.

Die Jahre 2001 bis 2004 waren davon geprägt, dass neben den digitalen Spiegelreflexkameras immer mehr kompakte und semiprofessionelle Digitalkameras mit Raw-Unterstützung ausgestattet wurden. In seinen Anfängen wurde das Rohdatenformat offenbar noch nicht als strategischer Mehrwert gesehen. Erst in späteren Jahren wurde dieses Feature gezielt als Unterscheidungskriterium eingesetzt, als bereits viele Hersteller eine Rohdatenformat-Unterstützung außerhalb der Profi-Modelle anboten.

Die Tatsache, dass Canon seine Raw-fähigen DIGIC-II- und DIGIC-III-Bildprozessoren gleichermaßen im semiprofessionellen wie im Einsteiger-Bereich verbaut, machen sich seit 2007 einige Hacker zunutze. Mit der „gepatchten“ Firmware CHDK schalten sie neben erweiterten Aufnahme-Modi die Funktionen zur Raw-Speicherung in ihren Kompaktkameras frei[3]. Da in der Original-Firmware eine Hintertür (engl. "backdoor") zum Nachladen eines Programms von der Speicherkarte enthalten ist, braucht der Kamera-interne Flash-Speicher für diesen Patch nicht geändert zu werden. Somit bleiben auch bei Verwendung von CHDK Gewährleistung und Garantie des Gerätes erhalten.

Rohdatenbearbeitung

Eine typische Software zur Rohdatenkonvertierung stellt u. a. folgende Funktionen zur Verfügung:

Rohdatenkonvertierungsprogramme können die Daten nach der Bayer-Interpolation und der Umwandlung in den RGB-Farbraum unter Annahme eines vorläufigen Weißabgleichs auch ohne umfangreiche weitere Korrekturen in 48-bit TIFF-Dateien (16 Bit pro Farbe pro Bildpunkt) speichern. Die Korrekturen können dann in anderen Bildbearbeitungsprogrammen durchgeführt werden.

Software

Üblicherweise wird von den Kameraherstellern ein eigenes (proprietäres) Programm für Rohdatenbilder ausgeliefert oder zum Herunterladen angeboten. Mit diesem kann man normalerweise die Bilder mit einfachsten Funktionen bearbeiten und zumindest ins JPEG-Format umwandeln. Zahlreiche Bildbearbeitungsprogramme und Konvertierungsprogramme bieten auch den Import und die Bearbeitung von Rohdaten an. Die bekannteren sind:

Kommerziell vertriebene Software

Freie Software

Andere kostenlose Software

  • Imabas (Microsoft Windows)
  • IrfanView (Microsoft Windows)
  • Xnview (unixoide OS, Mac OS X, Microsoft Windows)
  • RawTherapee (Linux, Microsoft Windows) (seit Version 3 Freie Software)
  • Picasa (Linux, Microsoft Windows, Mac OS X)

Hardware

Es existieren auch einige mobile Bildspeicher auf Festplattenbasis, die Raw-Dateien dekodieren und auf dem eingebauten Bildschirm anzeigen können. Damit ist das Sortieren und Organisieren auch ohne PC oder Kamera möglich.

Literatur

  • Adobe Camera Raw - Für Photoshop CS/CS2 und Elements von Mike Schelhorn (Addison-Wesley, 2. Aufl. August 2006, ISBN 3827324505)
  • Die Kunst der RAW-Konvertierung von Uwe Steinmüller, Jürgen Gulbins (Dpunkt Verlag, August 2005, ISBN 3898643514)
  • Digitale Negative: Camera Raw von Christoph Künne (Addison-Wesley, Oktober 2005, ISBN 3827323142)
  • RAW-Masse. Höhere Farbtiefe, weniger Fehler: Bessere Bilder dank Rohdaten. von Andrea Trinkwalder In: c't 16/04, S. 152 (atr)

Einzelnachweise

  1. ↑ FAQ zu dcraw
  2. ↑ Luminous-Landscape.com: Artikel "Digicams vs. DSLRs" (engl.) "What about makers such as Canon that have admitted that they apply sharpening even to Raw files on some of their cameras"
  3. ↑ CHDK-Wiki Inoffizieller Firmware-Hack für DIGIC-II- und DIGIC-III-Prozessoren
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