【Unity URP】以Render Feature实现卡通渲染中的刘海投影 - Sand and Foam

前言

本文初发布于zhihu
https://zhuanlan.zhihu.com/p/232450616

众所周知，在卡通渲染领域有着许许多多的Trick，而角色的脸部作为阿宅们关注的重点，Trick自然也少不了。
在各种插画、动画中，角色头发常常在角色脸上投下与头发形状相似的阴影，但这个效果如果使用ShadowMap来实现的话，对ShadowMap的精度要求大到有些不现实。
一些例图：

笔者近日在实现卡渲时发现，如果没有这个刘海投影，总感觉还差点味。

此时的脸部阴影是使用软阴影做的，可见效果并不是很好

而使用本文所讲述的方法可以产生较好的效果：

（脸部法线笔者并没有进行球形映射或者其他什么修改，所以普通的自阴影部分或许有些不美观，各位只关注刘海投影即可）

效果实现原理

其实效果的原理相当简单，简略来说就一句话：
首先生成一个头发的纯色buffer，然后在渲染角色脸部的时候对这个纯色buffer做采样取得阴影区域即可。

本文目录为：

使用Render Feature生成纯色buffer
渲染脸部时对这个纯色buffer进行采样
一些改良
美中不足
结语
Github范例工程链接

本文内容不多，因为只涉及这一个细节效果，不会谈及整个卡渲模型，如果读者对整体的卡通渲染模型，推荐阅读：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/109101851

注

笔者所用Unity版本为2019.4.6f1，URP 7.3.1
笔者经验甚少，才浅学疏，难以避免文中出现错误，还请大家不吝斧正，只求轻喷。

使用Render Feature生成纯色buffer

以Create/Rendering/URP/Render Feature新建一个Render Feature。

打开之后能看见是这样的：

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;

public class CelHairShadow_Test : ScriptableRendererFeature
{
    class CustomRenderPass : ScriptableRenderPass
    {
        // This method is called before executing the render pass.
        // It can be used to configure render targets and their clear state. Also to create temporary render target textures.
        // When empty this render pass will render to the active camera render target.
        // You should never call CommandBuffer.SetRenderTarget. Instead call <c>ConfigureTarget</c> and <c>ConfigureClear</c>.
        // The render pipeline will ensure target setup and clearing happens in an performance manner.
        public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
        {
        }

        // Here you can implement the rendering logic.
        // Use <c>ScriptableRenderContext</c> to issue drawing commands or execute command buffers
        // https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Rendering.ScriptableRenderContext.html
        // You don't have to call ScriptableRenderContext.submit, the render pipeline will call it at specific points in the pipeline.
        public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
        {
        }

        /// Cleanup any allocated resources that were created during the execution of this render pass.
        public override void FrameCleanup(CommandBuffer cmd)
        {
        }
    }

    CustomRenderPass m_ScriptablePass;

    public override void Create()
    {
        m_ScriptablePass = new CustomRenderPass();

        // Configures where the render pass should be injected.
        m_ScriptablePass.renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingOpaques;
    }

    // Here you can inject one or multiple render passes in the renderer.
    // This method is called when setting up the renderer once per-camera.
    public override void AddRenderPasses(ScriptableRenderer renderer, ref RenderingData renderingData)
    {
        renderer.EnqueuePass(m_ScriptablePass);
    }
}

对32行及之后的内容我们基本可以忽略，只需要修改一处：
将第39行的renderPassEvent从AfterRenderingOpaques修改为BeforeRenderingOpaques.
这是为了保证我们在渲染脸部时，这个纯色Buffer已存在。

然后在类的开头写上我们的Setting：

[System.Serializable]
    public class Setting
    {
        //标记头发模型的Layer
        public LayerMask hairLayer;
        //标记脸部模型的Layer
        public LayerMask faceLayer;
        
        //Render Queue的设置
        [Range(1000, 5000)]
        public int queueMin = 2000;
        [Range(1000, 5000)]
        public int queueMax = 3000;
        
        //使用的Material
        public Material material;
    }
public Setting setting = new Setting();

然后到Setting文件夹（默认的Rendering List所存放的路径）下，
通过Add Render Feature添加我们刚刚新建的这个Render Feature
现在是这样的，我们可以先添加Layer
并设置Hair Layer和Face Layer
（实际上眼睛也需要设置为Face，这些没意思的图就不多发了

我们先把Material给填上吧，
新建一个Shader——由于URP没有默认的Shader模板，因此在此我给各位提供一个网上找来的模板，直接复制粘贴覆盖原有的Shader即可

// Example Shader for Universal RP
// Written by @Cyanilux
// https://cyangamedev.wordpress.com/urp-shader-code/
Shader "Custom/UnlitShaderExample" {
    Properties {
        _BaseMap ("Example Texture", 2D) = "white" {}
        _BaseColor ("Example Colour", Color) = (0, 0.66, 0.73, 1)
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalRenderPipeline" }
        
        HLSLINCLUDE
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
        
        CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
        float4 _BaseMap_ST;
        float4 _BaseColor;
        CBUFFER_END
        ENDHLSL
        
        Pass {
            Name "Example"
            Tags { "LightMode"="UniversalForward" }
            
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            struct a2v {
                float4 positionOS   : POSITION;
                float2 uv           : TEXCOORD0;
                float4 color        : COLOR;
            };
            
            struct v2f {
                float4 positionCS  : SV_POSITION;
                float2 uv           : TEXCOORD0;
                float4 color        : COLOR;
            };
            
            TEXTURE2D(_BaseMap);
            SAMPLER(sampler_BaseMap);
            
            v2f vert(a2v v) {
                v2f o;
                
                //VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz);
                //o.positionCS = positionInputs.positionCS;
                // Or this :
                o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _BaseMap);
                o.color = v.color;
                return o;
            }
            
            half4 frag(v2f i) : SV_Target {
                half4 baseMap = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, i.uv);
                
                return baseMap * _BaseColor * i.color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

以其新建Material并拖到RenderFeature里

那么回想一下我们的步骤，我们要用Render Feature渲染一个头发纯色图，那么很简单，我们只需要Return (1,1,1,1)即可，反正只要个颜色嘛！

是吗？

当然没有这么简单。如果只是这样画的话，就会绘制角色头后面的头发，无法拿到刘海的形状。
我们之前设置了一个Face Layer，就是为了在绘制头发纯色之前，先写入脸部的深度，之后在绘制头发时进行深度测试即可获取刘海形。

如此便说明我们要在这个Shader中写两个Pass，一个是给脸部写入深度用，一个是绘制头发用的，两个都很简单

Shader "Custom/HairShadowSoild_Test"
{
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" "RenderPipeline" = "UniversalRenderPipeline" }
        
        HLSLINCLUDE
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
        
        ENDHLSL
        
        Pass
        {
            Name "FaceDepthOnly"
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
            
            ColorMask 0
            ZTest LEqual
            ZWrite On

            HLSLPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            struct a2v
            {
                float4 positionOS: POSITION;
            };
            
            struct v2f
            {
                float4 positionCS: SV_POSITION;
            };
            
            
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;
                
                //VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz);
                //v.positionCS = positionInputs.positionCS;
                // Or this :
                o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
                return o;
            }
            
            half4 frag(v2f i): SV_Target
            {
                return (0, 0, 0, 1);
            }
            ENDHLSL
            
        }
        
        Pass
        {
            Name "HairSimpleColor"
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
            
            Cull Off
            ZTest LEqual
            ZWrite Off

            HLSLPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            struct a2v
            {
                float4 positionOS: POSITION;
            };
            
            struct v2f
            {
                float4 positionCS: SV_POSITION;
            };
            
            
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;
                
                VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(v.positionOS.xyz);
                o.positionCS = positionInputs.positionCS;
                // Or this :
                //o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
                return o;
            }
            
            half4 frag(v2f i): SV_Target
            {
                return float4(1, 1, 1, 1);
            }
            ENDHLSL
            
        }

    }
}

那么让我们把这个Material搁一旁，开始正式动工Render Feature吧
在CustomRenderPass类中添加以下内容

      //用于储存之后申请来的RT的ID
      public int soildColorID = 0;
      public ShaderTagId shaderTag = new ShaderTagId("UniversalForward");
      public Setting setting;

      FilteringSettings filtering;
      FilteringSettings filtering2;

//新的构造方法
      public CustomRenderPass(Setting setting)
      {
          this.setting = setting;
	
          //创建queue以用于两个FilteringSettings的赋值
          RenderQueueRange queue = new RenderQueueRange();
          queue.lowerBound = Mathf.Min(setting.queueMax, setting.queueMin);
          queue.upperBound = Mathf.Max(setting.queueMax, setting.queueMin);
          
          filtering = new FilteringSettings(queue, setting.faceLayer);
          filtering2 = new FilteringSettings(queue, setting.hairLayer);
      }

前面的每个变量我们之后都会用到，目前还只是声明一下.

然后给CustomRenderPass创建一个构造方法，其中便使用到我们的Setting
此时会有一个报错，因为下面在构造CustomRenderPass时用的还是无参的老方法，加个setting即可。

FilteringSettings笔者个人理解为一个过滤器，更直白来说，它可以帮助我们选择我们想要渲染的物体，
而为了选择物体，我们需要加一些条件，比如这个（些）物体的Render Queue，Layer等，这样Unity就会找到符合这些条件的物体，并用于之后的渲染。

public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
{
    //获取一个ID，这也是我们之后在Shader中用到的Buffer名
    int temp = Shader.PropertyToID("_HairSoildColor");
    //使用与摄像机Texture同样的设置
    RenderTextureDescriptor desc = cameraTextureDescriptor;
    cmd.GetTemporaryRT(temp, desc);
    soildColorID = temp;
    //将这个RT设置为Render Target
    ConfigureTarget(temp);
    //将RT清空为黑
    ConfigureClear(ClearFlag.All, Color.black);

}

public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
{
    
    var draw1 = CreateDrawingSettings(shaderTag, ref renderingData, renderingData.cameraData.defaultOpaqueSortFlags);
    draw1.overrideMaterial = setting.material;
    draw1.overrideMaterialPassIndex = 0;
    context.DrawRenderers(renderingData.cullResults, ref draw1, ref filtering);

    var draw2 = CreateDrawingSettings(shaderTag, ref renderingData, renderingData.cameraData.defaultOpaqueSortFlags);
    draw2.overrideMaterial = setting.material;
    draw2.overrideMaterialPassIndex = 1;
    context.DrawRenderers(renderingData.cullResults, ref draw2, ref filtering2);

}

RenderTextureDescriptor的设置其实可以更自定义，比如只用屏幕一半分辨率的Texture，或者用RGB565之类，这里就不展开讲了。

此时使用Frame Debugger即可看到我们所渲染出的这个buffer（因为这个凯露模型的衣服和头发是同一网格，便使用同一材质，所以我们能在buffer中看见衣服也被渲染了）。
那么，让我们进入下一个阶段吧。

渲染脸部时对这个纯色buffer进行采样

笔者虽然自己在URP实现了Cel Shading，奈何本人学疏才浅，Shader写得有些不堪入目、杂乱无章，不适合拿出来给各位展示，因此笔者就提供一些资料供各位参考，还请见谅。

一是前文所分享的2173大佬的文
还有一个不得不提的当然是Colin大佬的URP Toon Lit Shader：
https://github.com/ColinLeung-NiloCat/UnityURPToonLitShaderExample

如果你并不会书写URP中的Shader，笔者建议学习此文：
https://cyangamedev.wordpress.com/2020/06/05/urp-shader-code/

那么让我们回归正题，
既然我们已经拥有绘制了头发的buffer，要怎么采样它呢？

本文的方法是使用View Space的Light Direction

比如当环境的光照方向是这样时，便会有如红箭头方向的采样，
得到的就会是与下图类似的结果。

我在Shader中声明了Keyword “_IsFace”，来标记是否为脸，产生Shader的变体（Variant）

         struct v2f
         {
             float4 positionCS: SV_POSITION;
             float2 uv: TEXCOORD0;
             float3 positionWS: TEXCOORD1;
             float3 normal: TEXCOORD2;
             
             #if _IsFace
                 float4 positionSS: TEXCOORD3;
             #endif
         };

         TEXTURE2D(_HairSoildColor);
         SAMPLER(sampler_HairSoildColor);
         
         v2f vert(a2v v)
         {
             v2f o;
             
             //......
             
             #if _IsFace
                 o.positionSS = ComputeScreenPos(positionInputs.positionCS);
             #endif
             
             //......
             return o;
         }


half4 frag(v2f i): SV_Target
         {
         
         	//......
         
         
	//face shadow
             #if _IsFace
             	//计算该像素的Screen Position
                 float2 scrPos = i.positionSS.xy / i.positionSS.w;
                 //获取屏幕信息
                 float4 scaledScreenParams = GetScaledScreenParams();
                 //计算View Space的光照方向
                 float3 viewLightDir = normalize(TransformWorldToViewDir(mainLight.direction));
                 
                 //计算采样点，其中_HairShadowDistace用于控制采样距离
                 float2 samplingPoint = scrPos + _HairShadowDistace * viewLightDir.xy * float2(1 / scaledScreenParams.x, 1 / scaledScreenParams.y);
              
		//若采样点在阴影区内,则取得的value为1,作为阴影的话还得用1 - value;
                 float hairShadow = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(_HairSoildColor, sampler_HairSoildColor, samplingPoint).r;

		//将作为二分色依据的ramp乘以shadow值
                 ramp *= hairShadow;
                 
             #else
			//若不是脸，直接将ramp乘以Shadow map的采样值，Shadow map的计算在此文非重点，姑且略过
                 ramp *= shadow;
                 
             #endif
             //......
             }

此时调整_HairShadowDistace的值便可获得类似如此的结果
基本的效果已经有了，但是还是存在一点问题。

一些改良

以NDC.w调整采样距离

如果只是这样采样的话，会发现如果摄像机离人物的脸比较近，则阴影采样距离会显得很小，如图

而离得远了，采样距离又会显得很大

显然，这并不是我们想看到的结果，那要如何调整呢？

读者是否觉得这种情况似曾相识？
没错，了解卡通渲染的朋友可能会觉得这跟解决Back facing描边粗细的问题十分相似，
使用NDC来调整back facing描边，是一大著名的方案。
只是back facing描边存在的问题是“近大远小”，而我们这个是“近小远大”。
不妨试试看？

struct v2f
         {
	//......
 
             #if _IsFace
                 float4 positionSS: TEXCOORD3;
                 float posNDCw: TEXCOORD4;
             #endif
             
             //......
         };

v2f vert(a2v v)
         {
             //......
             
             #if _IsFace
                 o.posNDCw = positionInputs.positionNDC.w;
                 o.positionSS = ComputeScreenPos(positionInputs.positionCS);
             #endif
             
	//......
             return o;
         }

	half4 frag(v2f i): SV_Target
         	{
             	//......
		#if _IsFace
                 
                 float2 scrPos = i.positionSS.xy / i.positionSS.w;
                 float4 scaledScreenParams = GetScaledScreenParams();
                 
                 //在Light Dir的基础上乘以NDC.w的倒数以修正摄像机距离所带来的变化
                 float3 viewLightDir = normalize(TransformWorldToViewDir(mainLight.direction)) * (1 / i.posNDCw) ;
                 
                 float2 samplingPoint = scrPos + _HairShadowDistace * viewLightDir.xy * float2(1 / scaledScreenParams.x, 1 / scaledScreenParams.y);
                 
                 float hairShadow = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(_HairSoildColor, sampler_HairSoildColor, samplingPoint).r;
                 
                 ramp *= hairShadow;
                 
             #else
		//......
	}

此时我们在较近距离也可以看到明显的阴影区域了
中等距离也能看见较为明显的阴影

较远时阴影就会消隐至看不见了。

那么这一问题也基本解决了。
当然，这并不是最完美的方法，或许美术会觉得近处阴影范围太大，中等距离阴影范围太小等……可以在这个基础上用曲线函数再调整一下采样距离，精益求精，争取获得最好的效果。

解决特定角度错误采样的问题

当我们摄像机的角度与脸的正前方基本垂直时，我们会发现角色脸部出现了非常诡异的现象，如图

究其原因，是由于脸部错误采样到了它“后面”的头发，而显然这种情况是我们不愿看到的。
如图，脸部错误采样了两个红框圈出的头发。

那咋办呢……这也没法深度检测，又没深度图。

确实是没有深度图，不过我们可以手动来进行“深度检测”。
我们只要在buffer中写入头发的深度，不就可以在渲染脸部时进行两者的深度比较了吗？

不过……深度值咋算的来着？
对深度图中的深度值如何计算不清楚的读者可以参考这篇文章：
https://www.jianshu.com/p/6eb1f4501126

这边直接贴出结论：
Pndc = Pclip / w;
d = Pndc.z * 0.5 + 0.5;

因此我们将用于RenderFeature的Shader的第二个Pass改为

Pass
      {
          Name "HairSimpleColor"
          Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
          
          Cull Off
          ZTest LEqual
          ZWrite Off

          HLSLPROGRAM
          
          #pragma vertex vert
          #pragma fragment frag
          
          struct a2v
          {
              float4 positionOS: POSITION;
          };
          
          struct v2f
          {
              float4 positionCS: SV_POSITION;
          };
          
          
          v2f vert(a2v v)
          {
              v2f o;
              
              VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(v.positionOS.xyz);
              o.positionCS = positionInputs.positionCS;
              return o;
          }
          
          half4 frag(v2f i): SV_Target
          {
              float depth = i.positionCS.z * 0.5 + 0.5 / i.positionCS.w;
              return float4(1, depth, 0, 1);
          }
          ENDHLSL
          
      }

我们在buffer的g通道中写入了头发的depth，在采样时进行比较即可

当然，我们也要用同样的方法计算脸部的depth值。

#if _IsFace
                
                float2 scrPos = i.positionSS.xy / i.positionSS.w;
                float4 scaledScreenParams = GetScaledScreenParams();
                float3 viewLightDir = normalize(TransformWorldToViewDir(mainLight.direction)) * (1 / i.posNDCw) ;
                
                float2 samplingPoint = scrPos + _HairShadowDistace * viewLightDir.xy * float2(1 / scaledScreenParams.x, 1 / scaledScreenParams.y);
                //新增的“深度测试”
                float depth = i.positionCS.z * 0.5 + 0.5 / i.positionCS.w;
                float hairDepth = SAMPLE_TEXTURE2D(_HairSoildColor, sampler_HairSoildColor, samplingPoint).g;
                //0.001为bias，用于精度校正
	float depthCorrect = depth < hairDepth + 0.001 ? 0 : 1;

                float hairShadow = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(_HairSoildColor, sampler_HairSoildColor, samplingPoint).r;

	hairShadow = lerp(0, 1, depthCorrect);
                
                ramp *= hairShadow;
                
            #else

此时可以回过头来看shader

//这行的采样已经不再必要
//float hairShadow = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(_HairSoildColor, sampler_HairSoildColor, samplingPoint).r;

float hairShadow = lerp(0, 1, depthCorrect);

我们在下一行就用lerp(0, 1, depthCorrect)把上一行的采样值覆盖掉了。

究其原因，是因为r通道原本就是只“输出一个值以标记这个像素是头发”，而我们将深度写入g通道时，就隐性地完成了这一步。因此，我们buffer的r通道已经失去意义了。

因此我们在RenderFeature的shader将写入r通道的部分舍去，产出一个只写有深度的buffer即可。

相信这部分的修改各位一定都会，就不加以赘述了。

同样的，还记得我们之前哪一步跟深度有关吗？

没错，之前我们有一次要写入脸部深度，为的就是不让脸部接收到来自“后面”的头发的阴影。

既然我们已经在buffer中写入头发的深度了，那么使用脸部与头发的深度对比，完全能够规避这个问题，于是乎我们Face写入深度的那一次渲染也是可以舍弃的。这样一来就更加节省资源了。

或许有的朋友要问了，“那为什么不一开始就往最合理的方向写文章呢？你这样让我改来改去不是很烦”。

笔者其实不仅仅是想分享一个技术，同时也想跟大家分享一下自己创作的思路、一个想法不断被完善的过程。

每一个想法的实现都不是一帆风顺的，都会经历数次删删改改，个人认为学习这一过程其实比直接学习所谓最终效果更有价值。

那么，我们终于解决了之前的鼻梁错误阴影问题。
……但我们真的取得完全胜利了吗？

美中不足

上一张图，如果读者仔细看的话，会发现其实额头部分的一些阴影也被消除了，如下图红圈圈出的部分。

这又是什么原因呢？
正是因为我们消除了脸部“后面”的头发的投影，但是实际上这种投影是完全可能发生的。
也就是说，之前解决“鼻梁阴影”的方法还是过于一刀切了，将一些可能实际存在的状况也否决，也就导致一些情况下会出错了。

而这种情况又要怎么解决？
或许我们要给脸部加一个Mask，比如额头上不采用深度检测，而鼻梁上采用。
笔者比较懒，就暂且使用positionWS了，其实原理上应该使用positionOS或者上个贴图。

//......
float mask = smoothstep(1.6, 1.51, i.positionWS.y);
float depthCorrect = depth * mask < hairDepth + 0.001 ? 0 : 1;
//......

mask
中途截断的Shadow显然不怎么好看……

可惜笔者并没有想到更好的方法来解决这个问题，或许画一个Mask是最优解？

但仅是这种方法已经足以应付绝大部分情况了
加mask之前的效果
加了mask之后

咱们的Mask并没有木大，今后也要继续做加把劲骑士。

那么最后，放上一个灯光和人物都在转的效果视频吧

结语

在此必须要感谢某waifu群的群友们，他们肯于抽出时间回答我这种图形学萌新的问题，并给出不少有意义的建议，如果没有你们就没有这篇文章，实在感谢。

虽然这个方法仍然存在一些瑕疵，但是个人认为已经能够使用了，如果各位有建议的话，欢迎踊跃评论交流~

Github

https://github.com/FlowingCrescent/CelShadingWithFringeShadow_URP

参考资料

https://zhuanlan.zhihu.com/p/109101851
https://github.com/ColinLeung-NiloCat/UnityURPToonLitShaderExample
https://cyangamedev.wordpress.com/2020/06/05/urp-shader-code/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/144209981
https://www.jianshu.com/p/6eb1f4501126

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前言

效果实现原理

注

使用Render Feature生成纯色buffer

渲染脸部时对这个纯色buffer进行采样

一些改良

以NDC.w调整采样距离

解决特定角度错误采样的问题

美中不足

结语

Github

参考资料

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