機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的工作發(fā)展及難題

作者丨北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院?孫鄭芬 吳韶波

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)持續(xù)發(fā)展，工業(yè)主導(dǎo)地位不斷提高，我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從勞動(dòng)密集型逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)、知識(shí)密集型，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)能也逐漸從要素驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向效率驅(qū)動(dòng)和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，人民的生產(chǎn)生活將愈來(lái)愈智能化。為建設(shè)現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)，提高工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)再創(chuàng)新的高度。我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平仍然是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究點(diǎn)，未來(lái)工業(yè)智能化的發(fā)展尤為重要。

近年來(lái)，隨著工業(yè)智能化的迅速發(fā)展，具有便捷性、精確性、迅速性、智能化等優(yōu)點(diǎn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域，其作為一種現(xiàn)代化檢測(cè)手段，越來(lái)越受到人們的重視。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、信號(hào)處理、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、光學(xué)、自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)通過(guò)光學(xué)設(shè)備和傳感器獲取到目標(biāo)物體的圖像信息，然后將圖像信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字化信息，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)顯示在電子屏幕上或者通過(guò)控制單元指導(dǎo)機(jī)器完成任務(wù)。機(jī)器視覺(jué)偏重于信息技術(shù)工程化和自動(dòng)化，但又構(gòu)建在計(jì)算機(jī)技術(shù)視覺(jué)效果方法論的基礎(chǔ)上，它的重點(diǎn)是感知目標(biāo)物體的位置信息、大小形態(tài)、顏色信息及存在狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息。

本文主要通過(guò)論述機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)智能化中的應(yīng)用，分析機(jī)器視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)如今存在的問(wèn)題，并針對(duì)問(wèn)題提出解決性的方法，進(jìn)而剖析機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)智能化生產(chǎn)上的發(fā)展趨勢(shì)及方向，期望能為現(xiàn)代化的智能工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供借鑒。

1 機(jī)器視覺(jué)的研究與發(fā)展

機(jī)器視覺(jué)的概念始于20世紀(jì)50年代，最先應(yīng)用于“機(jī)器人”的研制。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)傳感器采集圖像信息并處理，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算估計(jì)下一步的位置來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

20世紀(jì)50年代：機(jī)器視覺(jué)的研究主要集中在二維圖像的簡(jiǎn)單分析和識(shí)別上，像字符，工件、圖片的分析和處理等，多用于航天、工業(yè)的制造與研究。

20世紀(jì)60年代：利用計(jì)算機(jī)程序從數(shù)字圖像中提取出諸如立方體、楔形體、棱柱體等多面體的三維結(jié)構(gòu)，提出基于機(jī)器視覺(jué)的多面體零件特征提取技術(shù)，進(jìn)而為識(shí)別三維物體和三維計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代：這個(gè)時(shí)期才有人首次提出較為完整的機(jī)器視覺(jué)理論，也陸續(xù)出現(xiàn)了一些視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)．簡(jiǎn)單的視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)小部分的代替人工生產(chǎn)，讓工業(yè)生產(chǎn)逐步向自動(dòng)化方向發(fā)展。

20世紀(jì)80年代：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在這個(gè)時(shí)期獲得蓬勃發(fā)展，隨著一些新概念、新方法、新理論的不斷涌現(xiàn)。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也不斷和其他技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生新的生產(chǎn)方式應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器視覺(jué)也逐漸被人們熟知和應(yīng)用，使其工業(yè)生產(chǎn)中掀起新的生產(chǎn)浪潮。

20世紀(jì)90年代：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于零部件的裝配。同時(shí)，這一時(shí)期有人提出將機(jī)器視覺(jué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械零件表面粗糙度的非接觸測(cè)量。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)讓眾多機(jī)械零件表面的檢測(cè)得到了應(yīng)用，代替了人工檢測(cè)，提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，讓眾多工人的雙手和雙眼從工廠生產(chǎn)中解放出來(lái)。

21世紀(jì)：現(xiàn)如今，機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展已相對(duì)成熟，很多企業(yè)借助機(jī)器視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)將其大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中?，F(xiàn)如今的時(shí)代是智能化的時(shí)代，現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)也不斷追求自動(dòng)化以及機(jī)械化，倡導(dǎo)將傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)解放出來(lái)，越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)智能化方面做的相當(dāng)出色。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為工業(yè)智能化生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，也不斷的被人們改進(jìn)。

由此可見(jiàn)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)一步步地發(fā)展到現(xiàn)階段，已經(jīng)相對(duì)成熟，并且在各個(gè)領(lǐng)域都大規(guī)模是使用，尤其在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是國(guó)內(nèi)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)相對(duì)起步較晚，相比國(guó)外還有一定的差距，還需要在技術(shù)、算法等方面努力跟進(jìn)。

2 機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代科技的主要代表技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人以其方便精確，省時(shí)省力，而被廣泛應(yīng)用于家電、電子、服裝、汽車、食品、等行業(yè)。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，高標(biāo)準(zhǔn)、高效率已經(jīng)成為眾多企業(yè)追求的目標(biāo)，在這種發(fā)展背景下，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。其中讓筆者印象深刻的就是京東自動(dòng)化機(jī)器人倉(cāng)庫(kù)，碩大的倉(cāng)庫(kù)里面成千上萬(wàn)的機(jī)器人不停地在貨架之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，將物品分類、投放、運(yùn)輸。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中機(jī)器視覺(jué)具有如下功能。

（1）定位和控制。現(xiàn)代工廠生產(chǎn)要求機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠快速，準(zhǔn)確地找到目標(biāo)物并確認(rèn)其位置。然后使用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行定位，并引導(dǎo)機(jī)械手臂去準(zhǔn)確地抓取。

（2）識(shí)別。主要利用機(jī)器視覺(jué)獲取圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種狀態(tài)的目標(biāo)和對(duì)象，用于跟蹤和收集數(shù)據(jù)。一般的機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)借助照相機(jī)完成。

（3）檢測(cè)。檢測(cè)生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量，這也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。在工業(yè)領(lǐng)域，主要檢查包括尺寸大小檢測(cè)，瓶子外觀缺陷檢測(cè)，瓶口缺陷檢測(cè)，殘次品檢測(cè)等。

（4）高精度檢查。在工業(yè)生產(chǎn)中，一些精密的電子設(shè)備零件需要較高的精度，例如計(jì)算機(jī)、手機(jī)上高度集成的電子電路板，有些可達(dá)到精度0.01mm甚至μm級(jí)，人眼無(wú)法識(shí)別這些小的元器件，因此必須使用機(jī)器來(lái)完成。

（5）分揀與搬運(yùn)。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不可避免都會(huì)有一些分揀的工作，而傳統(tǒng)利用人力進(jìn)行分揀工作的方式存在較大局限，但視覺(jué)機(jī)器人的應(yīng)用可以極大地提高工業(yè)生產(chǎn)的效率及工作精確度，進(jìn)而解放了人們的雙手。

機(jī)器視覺(jué)系技術(shù)在機(jī)器人的應(yīng)用中起到一個(gè)核心內(nèi)容的作用。機(jī)器視覺(jué)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)就是：怎樣讓機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)可以解決這一難題，加入視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)，可以使機(jī)器人對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)跟蹤與檢測(cè)，進(jìn)而準(zhǔn)確的確定目標(biāo)物的位置與方向，確保機(jī)器人對(duì)其的準(zhǔn)確定位。

機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的工作主要分為4個(gè)部分：相機(jī)定位、圖像分析與處理、目標(biāo)物狀態(tài)識(shí)別及機(jī)器人的動(dòng)作操控。先利用相機(jī)定位對(duì)目標(biāo)物建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，獲取物體坐標(biāo)；然后將獲取的目標(biāo)物分圖像進(jìn)行分析和處理；狀態(tài)識(shí)別以圖像分析為基礎(chǔ)，對(duì)目標(biāo)物的狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而根據(jù)圖像處理與分析的結(jié)果操控機(jī)器人的動(dòng)作行為。工業(yè)機(jī)器人的使用是現(xiàn)代工業(yè)相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)的偉大進(jìn)步與發(fā)展，其解決了傳統(tǒng)工業(yè)成本高、效率低、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，將人們雙手解放出來(lái)，讓現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)更加自動(dòng)化、智能化。

3 機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)大多傾向機(jī)械一體化，例如，薯片的生產(chǎn)，從土豆的清洗，到最后薯片的裝袋、封口，都不需要人為參與。當(dāng)然有的人要說(shuō)這樣生產(chǎn)出來(lái)的東西沒(méi)有人情味，但是我想說(shuō)機(jī)械一體化的生產(chǎn)方式或許將是未來(lái)所有工業(yè)生產(chǎn)的大趨所示，其優(yōu)點(diǎn)不在贅述。那么，怎么才能控制機(jī)械化生產(chǎn)呢？這就要用到機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)控制機(jī)器生產(chǎn)。

機(jī)器視覺(jué)控制器，因其具備出色的處理能力，可在10s以內(nèi)高速完成最多128個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)，強(qiáng)大的處理能力可以直接影響可運(yùn)行的算法以及視覺(jué)系統(tǒng)做出決策的速度。為了減少圖像處理的時(shí)間，一些工廠現(xiàn)在使用同構(gòu)處理來(lái)運(yùn)行視覺(jué)算法。

另外，現(xiàn)在的一些機(jī)器視覺(jué)控制器還具有用于網(wǎng)絡(luò)連接的專用以太網(wǎng)端口以及用于連接外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的端口。通過(guò)工廠連接功能，工作人員可以實(shí)現(xiàn)在辦公室檢測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)，查看圖像，還可以實(shí)時(shí)回放，極大的方便了工廠的生產(chǎn)。這種直接進(jìn)行工業(yè)一體化生產(chǎn)的方式在慢慢的取代傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，相信在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中，一大部分工廠將利用機(jī)器視覺(jué)控制實(shí)現(xiàn)工廠一體化生產(chǎn)。

4 機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，目標(biāo)檢測(cè)多種多樣，市場(chǎng)需求相對(duì)較大。比如，檢測(cè)機(jī)械零件大小是否達(dá)標(biāo)、辨別條形碼或包裝條碼、測(cè)試商品的外表缺陷、瓶口缺陷、打印缺陷等等。這些應(yīng)用均需大批量測(cè)試，并且都是高精度的測(cè)試，人眼識(shí)別在這些檢測(cè)中處于劣勢(shì)，如果僅僅通過(guò)人工，耗時(shí)可想而知。在啤酒瓶的生產(chǎn)過(guò)程中，瓶子大小以及外觀是否有缺陷等這些都需要經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢測(cè)。一些工廠一天就會(huì)生產(chǎn)成千上萬(wàn)的啤酒瓶，如果都利用人工來(lái)處理，是讓人無(wú)法勝任的。而且一般人眼一直盯著同樣的物體檢測(cè)，時(shí)間長(zhǎng)了，會(huì)造成視覺(jué)疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致殘次品率高，工作效率低下。不僅如此，一些工廠還要花費(fèi)大量成本聘請(qǐng)人力檢測(cè)，這種落后的生產(chǎn)方式已經(jīng)不再適合現(xiàn)代化生產(chǎn)。

利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以有效的解決這一問(wèn)題，用機(jī)器檢測(cè)代替了傳統(tǒng)的人工，大批量檢測(cè)可以快速完成，加快了工廠的產(chǎn)品生產(chǎn)速度；另外，減少了工廠的生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，使工業(yè)生產(chǎn)不在受限于人眼識(shí)別的缺陷，提高了工業(yè)檢測(cè)的精度和效率，使工業(yè)生產(chǎn)更加的自動(dòng)化和智能化。

5 機(jī)器視覺(jué)中的關(guān)鍵技術(shù)

通俗來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)的作用是代替了人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)利用照相機(jī)和照明設(shè)備獲取圖像信息，然后傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)將圖片進(jìn)行顏色、亮度處理，然后將圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、分析。機(jī)器視覺(jué)中的兩大關(guān)鍵技術(shù)：圖像采集和圖像分析與處理。

（1）圖像采集

圖像的獲取是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中至關(guān)重要的一步，他是后續(xù)圖像處理的保障。利用攝像頭進(jìn)行圖像捕捉，攝像頭的選擇因功能而異；有時(shí)，圖像的質(zhì)量?jī)?yōu)劣還與光線強(qiáng)度有關(guān)，因此，會(huì)添加照明功能輔助圖像采集。

圖像采集工作涉及到圖像傳感器的使用，一般靈敏度高、像素大、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗低的圖像傳感器較受人們歡迎。目前市場(chǎng)上普遍使用的傳感器是CCD，其靈敏度高、讀取噪聲低，因此在圖像傳感器占據(jù)一定的市場(chǎng)。日常生活中常見(jiàn)的圖像采集有數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、各式各樣的攝像頭、多媒體等，圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到后面圖像的處理以及機(jī)器的控制。

（2）圖像分析與處理

圖像分析一般利用數(shù)學(xué)模型對(duì)圖像的色彩、透明度、色差進(jìn)行分析，進(jìn)而提取出有用的圖像信息。主要包括圖像信息識(shí)別與讀取、圖像的存儲(chǔ)、圖像數(shù)據(jù)變換、圖像分割、模型匹配以及解釋。圖像分析步驟如圖1所示。

圖1 圖像分析步驟

對(duì)于分析好的圖像信息，下一步就需要進(jìn)行處理。一般的圖像處理方法是數(shù)字處理，主要技術(shù)和方法包括去噪、增強(qiáng)、復(fù)原、提取特征等。圖像處理所需的硬件有數(shù)字圖像采集器以及圖像處理計(jì)算機(jī)，主要的圖像處理操作，還是要通過(guò)圖像處理軟件來(lái)完成。涉及的算法有傅里葉變換、正余弦變換、沃爾什變換，微分計(jì)算、濾波處理等。

圖像是機(jī)器獲取和信息交流的主要來(lái)源。通過(guò)圖像的獲取、分析與處理，將外界信息轉(zhuǎn)化成可供計(jì)算機(jī)分析的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)分析系統(tǒng)傳輸給控制系統(tǒng)，發(fā)出下一條動(dòng)作的指令，控制機(jī)器完成任務(wù)。

6 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：可以利用機(jī)器進(jìn)行非接觸測(cè)量，可以利用機(jī)器實(shí)現(xiàn)在人無(wú)法工作和到達(dá)的區(qū)域完成對(duì)目標(biāo)物的檢測(cè)；機(jī)器比人眼對(duì)光更加敏感，可檢測(cè)人眼看不見(jiàn)的紅外及微弱光檢測(cè)測(cè)量，解決了人眼的缺陷，擴(kuò)大了人眼的視覺(jué)范圍；機(jī)器不會(huì)產(chǎn)生疲勞，可以長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，機(jī)器視覺(jué)可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作、分析、處理與操縱；利用了機(jī)器視覺(jué)解決方案，可以節(jié)省大量勞動(dòng)力資源，有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)可觀利益。

現(xiàn)在科技技術(shù)發(fā)展較迅速，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用也相對(duì)成熟，但是還是存在諸多問(wèn)題：當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)的噪聲很大時(shí)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)往往會(huì)受到干擾，會(huì)造成設(shè)備靈敏度的降低或設(shè)備的損壞；另外工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有的處于高溫，有的處于低溫，這就要求機(jī)器設(shè)備要有一定的抗干擾能力和穩(wěn)定性。圖像的采集有時(shí)還會(huì)受光照強(qiáng)度的影響，當(dāng)光線昏暗時(shí)，就會(huì)影響目標(biāo)物圖像的提取、識(shí)別及分析，進(jìn)而有可能造成生產(chǎn)產(chǎn)品次品率上升，影響生產(chǎn)的精度及效率。如何解決這些問(wèn)題并提高機(jī)器性能，進(jìn)行有效的圖像識(shí)別，使機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)智能化生產(chǎn)中得到高效的利用，是當(dāng)下研究的關(guān)鍵。

（1）研發(fā)出高效率的圖像處理軟件和硬件。圖像采集部分的快慢主要依賴于硬件的速度，高質(zhì)量的硬件可有效減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的對(duì)圖像的分辨效率、采集效率、圖像處理的速度及處理分析效率。高質(zhì)量的軟件也尤為重要，質(zhì)量高的軟件可以讓機(jī)器的命令執(zhí)行速度更加高速有效。

（2）開(kāi)發(fā)適用性強(qiáng)、高效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的智能算法。智能、高效、穩(wěn)定化的智能算法可有效提高系統(tǒng)的分析處理速度，并且改善復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)抗干擾能力較差的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)有較強(qiáng)的即時(shí)性、魯棒性、穩(wěn)定性、抗干擾性以及環(huán)境適應(yīng)性。

7 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)制造有著廣泛的需求，在工業(yè)領(lǐng)域有著較大的發(fā)展空間。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的利用可有效的降低生產(chǎn)成本，節(jié)約勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品次品率；另外，還可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如此之多，因此，對(duì)制造業(yè)領(lǐng)域智能化的發(fā)展也具有較大的影響。但是，現(xiàn)在的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還有待提高，許多技術(shù)難題還亟待解決，當(dāng)下任務(wù)應(yīng)著力解決機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)

生產(chǎn)上的智能化、自動(dòng)化應(yīng)用，以便以后全面投入工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)，進(jìn)而為我國(guó)的現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

編輯：黃飛

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