[논문]IOT 및 감성조명 콘텐츠 기반의 LED 캠핑등 디자인 개발에 관한 연구

김희준

doi:10.5392/jkca.2018.18.12.332

IOT 및 감성조명 콘텐츠 기반의 LED 캠핑등 디자인 개발에 관한 연구
Study on Development of LED Camping Light Design Based on IOT and Emotional Lighting Contents 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.18 no.12, 2018년, pp.332 - 342

초록
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본 논문은 창의 지식기반산업 중에 중추적 역할을 담당하는 IOT분야와 디자인분야가 집약된 감성조명콘텐츠 기반의 LED 캠핑등을 디자인하기 위한 기술적인 선택과 구현과정에 대한 정보를 제시하는데 목적이 있다. 휴대형 LED 캠핑등인 'i-Light'는 사람과 공간 그리고 감성을 서로 연결하는 '커넥티드 조명'으로 IOT와 감성조명콘텐츠 기반의 스마트한 캠핑조명제품이다. 'i-Light'는 자연스러운 색상 색온도 조절이 가능한 조명기능과 유해가스를 감지하는 안전기능이 있고, 빛의 교감과 풍미를 경험할 수 있는 다양한 감성기능이 있다. 이를 위해 먼저, 휴대형 LED 캠핑등을 제품디자인하였고 고연색성/풀컬러 조명모듈과 스마트 센서모듈, 그리고 IOT 디바이스 플랫폼 개발하였다. 또한, 감성조명콘텐츠의 상세데이터를 구축하여 이를 바탕으로 한 Web 어플리케이션을 개발하였다. 최종적으로 휴대형 LED 캠프등의 프로토타입을 만들어 관련기관에 테스트 벤치와 사용성 평가를 받았다. 개발된 감성 조명콘텐츠 12종과 IOT 안전센서 3종은 모두 적합 판정과 만족스러운 시제품이 나왔다는 결과를 받았다. 향후 인공지능과 빅 데이터가 상호연동하는 콘텐츠와 제품개발에 있어서 실질적인 기술적인 선택과 구현과정에 대한 방향을 제시해줄 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is aimed at suggesting information about technical choices for designing LED camping lights based on emotional lighting contents of integrated IOT and design areas which take a central role in creation and knowledge based industries and the procedure for materializing them. 'i-Light,' a portable LED camping light, is 'connected lighting' connecting men, space and emotion and a smart camping light based on IOT and emotional lighting contents. 'i-Light' has two functions. One is about lighting for adjusting color and color temperature naturally and the other is about safety for detecting harmful gases. 'i-Light' also has various emotional functions for experiencing interaction and taste of light. For the purpose, portable LED camping lights were designed, first of all, and then a highly color rendering/full-color lighting module, a smart sensor module and an IOT device platform were developed. In addition, efforts were made to establish detailed data about emotional lighting contents and to develop a Web application based on them. Finally, prototypes of portable LED camping lights were made to get a test bench and usability evaluation from related organizations. According to the results, all of 12 developed emotional lighting contents and three IOT safety sensors were suitable and prototypes were satisfactory. This paper will suggest a direction about actual technical choices for development of contents and products integrating artificial intelligence and big data and about the procedure for materializing them.

주제어

표/그림 (23)

표 표 1. 개발내용 및 범위
그림 그림 1. Hue의 작동 원리 및 LED 구성
표 표 2. 국내외 전구형 스마트 조명 제품 비교
그림 그림 2. 필룩스 SHI 시스템의 적용 사례
표 표 3. 휴대형 LED 조명 비교
그림 그림 3. 디자인 정의 및 컨셉
그림 그림 4. 원뿔구조의 원기둥 디자인 썸네일 스케치
표 표 4. 환경 및 소비자 요구분석
그림 그림 5. 최종 디자인 구조설계 및 3D 솔리드 모델링
그림 그림 6. LED과 스마트 센서 모듈 개발
표 표 5. LED 구성과 조명모듈 및 결과물
그림 그림 7. CCT(Correlating Color Temperature)
표 표 6. IOT 디바이스 모듈 및 결과물
표 표 7. 기본 콘텐츠 상세 데이터 예시
표 표 8. 환경별 가시광 파장 대역의 상세 데이터 예시
그림 그림 8. i-Light 휴대용 캠프등 프로토타입과 전용 앱 화면
표 표 9. 상세데이터 구축 예시
표 표 10. 동적 표현변화에 따른 인지경향성 및 감성변화[8]
그림 그림 9. 테스트 벤치 (공기상태 동작 실험, SPIC-200 사용 분광 조도계 측정)
표 표 11. LED 조명 모듈의 CRI/CCT 특성 측정 시스템
표 표 12. I-Light의 사용성평가 내용요약
표 표 13. 감성조명콘텐츠 및 센서 평가¹
표 표 14. 통신 프로토콜 세부 평가내용

AI 본문요약
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문제 정의

본 과제에서는 조명이 갖는 기술적인 특성의 향상보다는 IOT 및 감성 조명 콘텐츠 등의 융합 기술로 조명의 활용성을 넓혀 새로운 제품으로 개발하는 것에 목표를 두고 있으며, 이를 위해 자유로운 색상·색온도 조절이 가능한 조명모듈 및 유해가스를 감지하여 위험상황을 알려주는 센서모듈, 빛의 색상 및 동적표현 요소를 바탕으로 한 감성조명 콘텐츠를 개발하여, 장소에 구애받지 않고 건강한 여가 생활과 안전을 지켜주는 새로운 캠핑조명 제품을 개발·연구하고자 한다.
본 연구는 실제적인 제품개발을 위해 대학교와 중소기업 그리고 디자인 전문회사 간의 원활한 협업과 역량 융합으로 이루어졌다. 동양미래대학교 산업협력단과 (주)이오닉스, 아이웍스 그리고 (주)이구칠이일공크리에이티브 제품디자인팀이 실제적인 제품 디자인 개발과 프로세스 과정에 참여하여 중소기업 기술 R&D 중심 제품을 개발하였고 이업종 간의 역량융합의 결과로 제품개발 및 디자인 프로세스의 방향성과 실효성 등 전반적인 기능향상과 새로운 서비스로 발전 기반을 마련하는 효과가 있었다.
이러한 관점에서 본 연구는 사물인터넷 기반의 스마트 LED 조명 기술과 빛의 표현적 요소를 효과적으로 구현할 수 있는 감성 조명 콘텐츠 기술을 확보함으로써, 자유롭게 휴대가 가능하고 사용자의 필요에 따라 역할과 기능을 확장할 수 있는 새로운 개념의 ‘스마트 LED 랜턴’ 제품의 디자인을 개발, 연구하고 새로운 가능성을 제시하고자 한다.

제안 방법

동적 표현요소를 기반으로 한 콘텐츠 개발하고, 콘텐츠를 선택, 적용 및 생성할 수 있는 알고리즘을 구현한다. 6축 가 각속도 센서인 MPU6050을 사용하여 움직임, 위치, 자세를 감지하는 알고리즘과 움직임에 대응하는 동작모드인 제스처 콘트롤(ON, OFF, DIMMING,CHANGE) 알고리즘을 구현하였다.
IOT 디바이스 플랫폼은 다양한 기기와의 연결할 수 있으며, 자유로운 조절과 역할의 확장이 가능한 WiFi 기반의 독립형 IOT 디바이스 모듈과 지능형 조명 통합 컨트롤러로 개발하였다. 스마트 기기 및 기존 AP와 쉽게 연결할 수 있도록 STA 및 Soft AP 동작을 지원하는 ESP12E를 사용한 WiFi 통신 모듈을 구성한다.
공기의 상태를 쾌적, 보통, 주의 3단계로 구분 인식하고, 디지털 방식의 온·습도 센서 DHT22를 사용하여 –40∼80°C 온도와 0∼100% 습도를 분석한다. SnO2(산화 주석)을 이용한 히터구조의 MQ135 센서를 사용하여 이산화탄소와 연기를 감지할 수 있도록 회로를 구현하였다.
Hue 분포 값(0∼360˚)에서 Hue 10˚ 단위로 자료조사를 하고 감성적 특성과 심리적 요인을 파악한다. 더불어 공간을 크게 실내와 실외로 구분하고, 공간별 특성에 맞는 hue 컬러를 제안한다. 실외의 경우 캠핑 상황을 기준으로 하여 용도에 따라 분류한 뒤 이에 맞는 분위기가 연출되도록 hue 컬러를 제안한다[7].
동적 표현요소를 기반으로 한 콘텐츠 개발하고, 콘텐츠를 선택, 적용 및 생성할 수 있는 알고리즘을 구현한다. 6축 가 각속도 센서인 MPU6050을 사용하여 움직임, 위치, 자세를 감지하는 알고리즘과 움직임에 대응하는 동작모드인 제스처 콘트롤(ON, OFF, DIMMING,CHANGE) 알고리즘을 구현하였다.
자체적으로 유해가스 센서의 동작 및 관련 콘텐츠의 확인하고 감성 조명콘텐츠의 효과를 실험한다. 또한 SPIC-200 분광 조도계를 사용하여 연색성 및 색온도를 측정한다.
크기가 작아서 휴대가 편하여야 하며, 온 습도 측정 및 연기, 이산화탄소 등의 유해가스 검츨하여 공기의 상태를 알려주며, 위험요소를 알림, 경고 등의 시각적 표현이 가능해야 한다. 또한 다양한 색온도/색상 및 패턴을 자유롭게 표현할 수 있으며 움직임 및 위치, 자세를 감지하여 다양한 제스처 컨트롤을 제공하도록 계획한다.
콘텐츠 활용을 위한 Web 기반의 콘트롤 인터페이스가 있고 사용자가 조명 콘텐츠를 직접 생성할 수 있는 레시피 기능이 있다. 또한 로컬 콘트롤 및 원격 콘트롤 대응이 가능하고, 원격대응을 위하여 사물인터넷 디바이스 플랫폼과 연결하기 위한 자체 프로토콜을 개발하였다.
또한 스마트 센서 모듈 및 온·습도 및 유해가스 센서를 복합 구성하여 환경정보를 분석하고 필요한 정보를 빛을 통해 표시할 수 있도록 한다.
목적에 따라 다양한 Scene/Pattern 콘텐츠를 자유롭게 구성하고 활용할 수 있는 기본 레시피(Recipe, 타이머/알람, 파티, 저녁 산들바람 등) 기능을 제공하고 추가적으로 사용자 Recipe 제작 기능을 개발하였다. 또한 사용자의 Recipe를 저장 관리할 수 있는 조명 콘텐츠 서비스를 제공한다.
본 연구는 현재 귀추되고 있는 창의·지식기반 산업 중 중추적 역할을 담당하는 IOT 분야와 디자인분야가 집약된 LED 캠핑등 디자인 제작 프로세스 전반을 다루고 있다.
빛의 색상과 동적 표현 요소를 기반으로 한 콘텐츠 제작 기술로 다양한 목적에 적용할 수 있는 콘텐츠와 알고리즘을 개발하였다.
자연광에 가깝고 효과적인 색온도 색상과 패턴표현이 가능한 복합 LED를 구성하기 위해 고연색성 풀컬러 조명 모듈 개발한다. 세부적으로 White LED 구동을 위한 16-bit PWM를 개별 구동하고, RGB LED를 위한 SPI Data 입력과 LED 드라이버 적용하여 구현 알고리즘을 갖춘 지능형 조명 컨트롤러를 개발하였다[5].
CMF의 특징을 살펴보면 색상의 경우, 주색상은 밝고 부드러운 아이보리 색상과 Nº5 회색을 7대3 비율로 배색을 하였고, 유광과 매트한 표면효과를 달리 적용하여 단조로움 줄였으며 브랜드명을 실버 색상으로 하여 시원함이 느껴지는 고급스러운 디자인이 특징이다. 스트랩에 포인트 색상으로 오렌지계열을 적용하여 세련된 느낌의 채도대비를 주었다. 소재의 경우 내열성 폴리에틸렌과 ABS 플라스틱가 주로 사용되었으며 가죽이나 도금류를 부소재로 적용 하였다.
감성적인 인자는 수평적이면서 안정적인 무게감을 주어 고급스러운 품위와 품질을 느끼도록 하였다. 슬라이드 방식으로 제품의 높낮이를 통해 밝기를 간편하게 조절할 뿐만 아니라 전원기능을 부가하였다.
연결된 LED 모듈의 구성을 인식하고 이에 대응하는 색온도/색상 값을 생성하기 위해 Hue 360 steps +Brightness 100 steps 의 색상표현 알고리즘을 구현하고, 1,900∼7,500K 범위의 폭넓은 색온도 알고리즘을 구현하여 스마트 콘트롤러를 개발하였다[6].
외관 디자인은 단순한 형태로 가로와 세로가 황금비례를 이루도록 하였고, 각 부품의 크기도 피보나치 수열을 적용하여 작지만 강한 시각적 특성을 갖도록 하였다. 감성적인 인자는 수평적이면서 안정적인 무게감을 주어 고급스러운 품위와 품질을 느끼도록 하였다.
이를 위해 용기형태의 시각이미지 특성을 위해 외관디자인은 단순한 형태와 안정된 무게감을 갖도록 하였다. 폴 세잔과 입체파들은 자연을 원기둥, 구, 원뿔의 기하학적 모양으로 단순화 시켜 심미적 경험과 이상적 관점을 표현한 것처럼 ‘i-Light’ 감성캠핑등도 원뿔 구조의 원기둥 형상으로 나와 자연환경의 감성적 통합화를 이루도록 디자인하였다.
이에 감성조명의 개념을 기반으로 인간의 육체 및 삶과 직결되는 살아있는 빛을 만들자는 목표로 색온도와 밝기를 일출, 한낮, 일몰 등과 같이 시간 변화에 따른 자연 빛의 변화를 조명으로 연출하는 ‘SIH(Sun In House)’ 시스템을 개발했다.
자연광에 가깝고 효과적인 색온도 색상과 패턴표현이 가능한 복합 LED를 구성하기 위해 고연색성 풀컬러 조명 모듈 개발한다. 세부적으로 White LED 구동을 위한 16-bit PWM를 개별 구동하고, RGB LED를 위한 SPI Data 입력과 LED 드라이버 적용하여 구현 알고리즘을 갖춘 지능형 조명 컨트롤러를 개발하였다[5].
LED 조명 모듈의 특성 측정과 사용 환경에 따른 영향성 테스트 위한 밀폐/개방 가변형 테스트 벤치 구축한다. 자체적으로 유해가스 센서의 동작 및 관련 콘텐츠의 확인하고 감성 조명콘텐츠의 효과를 실험한다. 또한 SPIC-200 분광 조도계를 사용하여 연색성 및 색온도를 측정한다.
파장 동적 변화에 따른 인지경향 및 감성변화연구 자료를 바탕으로 조명과 실제환경의 영향성을 조사하여, 환경별 가시광 파장대역의 상세데이터를 구축하였다.
i-Light 휴대용 캠프등 프로토타입 완성한 후, 홍익대학교 색채디자인연구센터에게 사용성 평가를 의뢰하여 디지털미디어디자인 김영희교수로부터 평가 보고서를 받았다. 평가의뢰 부분은 크게 두 가지로 분류되는데, 첫 번째 평가는 12종의 감성 조명콘텐츠의 적용여부를 정량적으로 검증하고, 본 제품의 프로토타입 모델이 WiFi로 모바일 디바이스와 연결하는 등 TCP 기반의 3종의 IOT 프로토콜을 지원하는지에 대한 평가이다. 두 번째 평가는 감성 조명콘텐츠의 사용성에 대한 정성적 평가이다.

대상 데이터

IOT 디바이스 플랫폼은 다양한 기기와의 연결할 수 있으며, 자유로운 조절과 역할의 확장이 가능한 WiFi 기반의 독립형 IOT 디바이스 모듈과 지능형 조명 통합 컨트롤러로 개발하였다. 스마트 기기 및 기존 AP와 쉽게 연결할 수 있도록 STA 및 Soft AP 동작을 지원하는 ESP12E를 사용한 WiFi 통신 모듈을 구성한다. 스마트 조명/센서 제어에 최적화된 자체 프로토콜 및 CoAP, MQTT, REST API 등 기존 IOT 프로토콜 지원하여 조명장치와 스마트 기기에서 제어한다.

성능/효과

본 연구는 현재 귀추되고 있는 창의·지식기반 산업 중 중추적 역할을 담당하는 IOT 분야와 디자인분야가 집약된 LED 캠핑등 디자인 제작 프로세스 전반을 다루고 있다. 결과적으로 IOT 캠핑등 시제품이 나왔고, 본 IOT 제품개발에 직접적으로 관련된 디자인분야만 시각디자인, 산업디자인, 웹디자인 등이 있고 이공분야는 전기, 전자, 전산 등 여러 분야가 융합되어 있다. 통합적인 IOT 제품 개발하기 위한 기술의 선택과 구현과정에 대한 정보를 제공한데 의의가 크다 할 수 있다.
그리고 외부 디자인연구센터로부터 감성 조명콘텐츠 사용성 평가에서 모두 ‘적합’ 판정의 만족스러운 평가를 받았다.
본 연구는 실제적인 제품개발을 위해 대학교와 중소기업 그리고 디자인 전문회사 간의 원활한 협업과 역량 융합으로 이루어졌다. 동양미래대학교 산업협력단과 (주)이오닉스, 아이웍스 그리고 (주)이구칠이일공크리에이티브 제품디자인팀이 실제적인 제품 디자인 개발과 프로세스 과정에 참여하여 중소기업 기술 R&D 중심 제품을 개발하였고 이업종 간의 역량융합의 결과로 제품개발 및 디자인 프로세스의 방향성과 실효성 등 전반적인 기능향상과 새로운 서비스로 발전 기반을 마련하는 효과가 있었다. 향후 연구에서는 인공지능(AI)과 빅 데이터가 상호 연동하여 감성을 자극하는 콘텐츠와 제품들이 좀 더 정교하게 발전되길 기대해 본다.
통합적인 IOT 제품 개발하기 위한 기술의 선택과 구현과정에 대한 정보를 제공한데 의의가 크다 할 수 있다. 본 IOT 제품의 개발은 매우 실험적인 시도이며, 제품부품의 단가를 맞추어 매우 제한된 하드웨어와 소프트웨어를 개발했음에도 불구하고 첫 프로토타입 제품으로써는 감성콘텐츠 12종과 3개의 인터넷 통신프로토콜을 모두 적용하여 만족스러운 결과물이 나왔다. 그리고 외부 디자인연구센터로부터 감성 조명콘텐츠 사용성 평가에서 모두 ‘적합’ 판정의 만족스러운 평가를 받았다.
최종적으로 적용된 감성 조명콘텐츠 총 12종(3종은 센서) 모두 총점 12점 이상으로 적합 판정과 만족스러운 결과물(시제품)이 나왔다는 평가를 받았다.

후속연구

Philips사는 스마트 조명을 휴대형으로 확장한 ‘Hue Go’를 2015년에 발표하였지만, Hue Bridge가 있는 실내에서만 사용할 수 있어 진정한 휴대형 제품으로 보기 어렵다. 앞으로 빛의 역할이 더욱 다양해지고 이에 따라 다양한 형태의 조명이 등장할 것으로 예상되며 휴대형 스마트 조명이 그 중 하나가 될 것이다. 캠핑등의 경우 LED와 배터리 등의 소재의 발달로 새로운 제품들이 개발되고 있으며 스마트 제품으로의 발전으로 이어질 것으로 예상한다[4].
동양미래대학교 산업협력단과 (주)이오닉스, 아이웍스 그리고 (주)이구칠이일공크리에이티브 제품디자인팀이 실제적인 제품 디자인 개발과 프로세스 과정에 참여하여 중소기업 기술 R&D 중심 제품을 개발하였고 이업종 간의 역량융합의 결과로 제품개발 및 디자인 프로세스의 방향성과 실효성 등 전반적인 기능향상과 새로운 서비스로 발전 기반을 마련하는 효과가 있었다. 향후 연구에서는 인공지능(AI)과 빅 데이터가 상호 연동하여 감성을 자극하는 콘텐츠와 제품들이 좀 더 정교하게 발전되길 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 LED 조명이란 무엇인가?	LED 조명의 성장은 LED의 장점을 살려 다양한 기능을 접목한 스마트 조명, 시스템 조명으로 발전하고 있다. 스마트 LED 조명은 LED 조명이 IT기술과 결합하여 에너지 절감, 인간중심의 맞춤형 조명 및 다양한 컨텐츠 제공할 수 있는 신개념 조명으로, LED의 특징인 디지털 조명의 장점을 극대화한 조명이다. 즉, LED 조명에 IT기술을 결합시켜 에너지 절감, 사용자 중심의 맞춤형 조명 및 다양한 서비스 컨텐츠를 제공할 수 있는 신개념 시스템 조명 솔루션기술이라고 할 수 있다.
	스마트 조명을 가장 먼저 선보인 기업은 무엇인가?	가장 먼저 스마트 조명을 선보인 Philips사는 ‘감성’을 앞세운 조명의 새로운 방향을 이끌고 있으며 컬러 표현에 중점을 둔 전구형 제품인 ‘Hue’를 2012년 출시했다. 스마트폰 앱을 통해 밝기 및 색상을 조절할 수 있도록 하여 기존 조명의 역할뿐만 아니라 다양한 목적으로 사용할 수 있지만, 스마트폰과의 연동을 위해 허브 역할을 하는 별도의 브릿지 디바이스가 필요하며 비싼 가격으로 아직까지는 대중화에 어려움을 겪고 있다[2].
	커넥티드 조명의 특징은 무엇인가?	사물인터넷과 LED 조명과의 결합을 통해 에너지 절감뿐만 아니라, 감성조명, 친환경 등 사용자 요구 환경에 부합되는 콘텐츠가 내장된 다기능 솔루션을 갖추어 산업간, 기술 융합 시스템인 차세대 조명 기술로 발전해 나가고 있다. 별도 센서 장치를 통해 단편적으로 다수의 조명이 일괄적으로 제어되는 것이 아닌, 하나의 조명으로 다양한 기능(멀티응용센서 모듈·스마트 드라이버· 무선통신모듈) 등을 포함시켜 LED 조명 및 유무선 네트워크 등의 인프라를 통하여 새로운 통합·복합 서비스를 제공할 뿐만 아니라, 조명 스스로 스마트한 제어가 가능하게 할 수 있다. 이러한 커넥티드 조명(Connected Lighting)의 시장은 현재 태동기에서 벗어나 성장기에 진입을 하였으나, 국내 산업의 경우는 아직 미비한 상황이고 선진 외국 기술회사의 시장 진입에 의한 인프라가 형성 중이다.

참고문헌 (9)

강정호, 김형주, "사물인터넷 시장 및 기술 동향," 한국콘텐츠학회지, 제13권, 제1호, p.15, 2015.
https://www2.meethue.com/ko-kr
박재민, "조명환경에 따른 시각 감성변화의 인간공학적 평가," J. of the Korean Institute of Plant Engineering, Vol.5, No.3, pp.31-40, 2000.
김균탁, 이계산, 이규진, "웨어러블 디바이스 기반의 IoT 플랫폼 기술 동향," 한국콘텐츠학회지, 제 13권, 제1호, pp.25-30, 2015.

원문보기 상세보기
황명권, 황미녕, 정한민, 사물인터넷 실현을 위한 플랫폼 및 기술 동향, 정보통신기술진흥센터 주간기술동향, 2014(10).
지순덕, "LED 기반 백색 조명의 색온도 및 연색 지수에 따른 감성 평가," 감성과학, Vol.9, No.4, pp.353-366, 2006.

원문보기 상세보기
김소연, 김승민, "디지털시대의 아날로그적 감성 및 디자인요소에 관한 고찰," 한국콘텐츠학회논문지, 제16권, 제11호, pp.584-593, 2016.
백빛나, 석현정, 김명석, "빛의 표현 요소를 활용한 정보 표현에 관한 연구," 디자인학연구, 제25권, 제1호, pp.207-218, 2011.
홍익대학교 색채연구센터, i-Light 사용성 평가 보고서, 2018.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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