📄 Chunkwise Aligners for Streaming Speech Recognition

#语音识别 #流式处理 #端到端 #对齐器 #分块处理

✅ 6.3/10 | 前25%-50% | #语音识别 | #端到端 | #流式处理 #对齐器 | arxiv

学术质量 5.5 （综合学术质量：创新性1.5+技术严谨性1.5+实验充分性1.5+清晰度0.8 = 5.3，按范围0-8调整为5.5）/8 | 影响力 0.6 （影响力与重要性：领域推动价值、后续工作潜力、与读者相关性，范围0-2）/2 | 可复现性 0.4 （可复现性：开源完整度、训练细节、超参数充分度，范围0-1）/1 | 置信度 高

👥 作者与机构

• 第一作者：未说明
• 通讯作者：未说明
• 作者列表：Wen Shen Teo、Takafumi Moriya、Masato Mimura（论文中未明确各作者具体贡献）

💡 毒舌点评

这篇论文的核心是“给Aligner装个刹车”，通过分块（Chunk）和块结束（EOC）信号，让原本只能看完整句才能干活的Aligner具备了流式能力。想法直白有效，工程实现清晰，确实解决了Aligner无法用于流式ASR的痛点，并在训练/解码效率上展现出对Transducer的优势。然而，其“创新”更多是对现有组件的巧妙重组和适配，而非原理性突破。更关键的是，它用一个“硬依赖”（强制对齐）换取了另一个“软依赖”（对齐质量与延迟调优），其“端到端”的成色值得商榷。论文在实验深度和部分声明的验证上有所欠缺，使其整体贡献停留在“一个不错的工程优化”层面。

📌 核心摘要

1. 问题：流式ASR的主流模型Transducer训练计算成本高昂（需动态规划所有可能对齐）。新提出的Aligner模型通过“自转导”机制简化了训练（仅需交叉熵损失），但因其将所有标签对齐到序列开头，丢失了时间信息，无法用于流式识别，且对未见音频长度不鲁棒。
2. 方法：提出Chunkwise Aligner。核心是将音频序列分割为固定长度（Lc）的块，并在每个块内执行“块内自转导”，将属于该块的标签对齐到该块最左侧的帧。同时，引入一个由连接器网络预测的可学习块结束（EOC）概率。在解码时，当EOC概率超过阈值（τ）时，当前假设及其解码器状态将被携带到下一个块，从而实现连续流式处理。
3. 创新：在Aligner的标签同步、简单交叉熵训练框架下，通过分块处理和EOC信号机制，赋予了模型流式处理能力。解码过程在EOC引导下，计算主要发生在预测标签的步骤（与标签数U相关），而非音频帧的每一步（与帧数T相关），理论上可提升解码效率。
4. 结果：
   • LibriSpeech离线：Chunkwise Aligner（WER: clean 2.2%, other 5.0%）达到与Transducer（2.2%, 4.9%）相当的性能，但解码实时率（RTF）从0.30降至0.12，速度提升约2.5倍。
   • LibriSpeech流式：通过引入最佳320ms的对齐延迟，Chunkwise Aligner（WER: clean 3.2%, other 7.9%）能接近流式Transducer（3.1%, 7.6%）的性能。
   • CSJ日文：在离线和流式设置下，CER均与Transducer持平，离线RTF（0.16）比Transducer（0.30）快约1.875倍。
5. 意义：为流式ASR提供了一种在训练效率（交叉熵损失）和解码速度（标签同步解码）上优于传统Transducer，同时性能相当的方案。
6. 局限：模型性能强依赖于训练时使用的强制对齐质量（尤其是使用质量较差的CTC对齐时）。流式性能对人为设定的“对齐延迟”超参数敏感。论文承认未来需探索不依赖高质量外部对齐的训练框架。

🔗 开源详情

• 代码：论文中未提及代码链接。
• 模型权重：论文中未提及。
• 数据集：论文中使用了公开数据集 LibriSpeech 和 Corpus of Spontaneous Japanese (CSJ)，但未提供具体获取链接。
• Demo：论文中未提及。
• 复现材料：论文中未提及。文中在实验部分提供了部分训练配置细节（如优化器、学习率、epoch数、编码器结构等），但未提供完整的训练配置文件、检查点或附录。
• 论文中引用的开源项目：
  • Montreal Forced Aligner (MFA)：论文中提及用于生成强制对齐。论文中未提供具体链接。
  • ESPnet：论文中提及用于构建和评估模型。论文中未提供具体链接。
  • Conformer：论文中提及作为编码器架构的基础。论文中未提供具体实现链接。

🏗️ 方法概述和架构

整体流程概述：Chunkwise Aligner是一个为流式语音识别设计的端到端模型。它基于经典的编码器-预测器-连接器（Encoder-Predictor-Joiner）架构。编码器将输入的语音特征序列转换为高维表示序列，并将其分割成固定长度的块。预测器基于已输出的历史文本标签自回归生成上下文嵌入。核心的“连接器”模块接收当前音频块内某一帧的编码和预测器的输出，同时预测两个值：当前标签的概率分布，以及一个指示“当前块是否应结束”的块结束（EOC）概率。解码过程（Algorithm 1）在每个音频块内进行帧同步的束搜索，一旦某个假设的EOC概率超过阈值τ，该假设将被存入“待推进集”，并携带其状态用于处理下一个音频块，从而实现对连续音频流的逐步处理。

主要组件/模块详解：

1. 编码器（Encoder）：

   • 功能：将输入的声学特征序列（如80维梅尔滤波器组）转换为高维的上下文表示序列 H_enc。
   • 内部结构/实现：采用与Conformer-L相同的架构，包含17层Conformer块，总参数量约110M。在Conformer块之前，使用一个二维CNN嵌入器进行下采样（帧减少率为4，卷积核大小15，使用层归一化替代批归一化）。在流式模式下，Conformer块内的深度可分离卷积被替换为因果卷积，以确保当前块的处理仅依赖于当前及历史块的信息，不泄露未来信息。流式模式下，当前块和历史块大小均为15帧。
   • 输入输出：输入为整个语音的声学特征序列 X；输出为同样长度（经下采样后）的高维表示序列 H_enc。

2. 预测器（Predictor）：

   • 功能：自回归地处理已输出的非空标签序列 Y=[y1,…,yU]，为每个标签位置生成一个上下文嵌入。
   • 内部结构/实现：使用一个640维的单层LSTM网络。
   • 输入输出：输入为上一步的标签 y_{u-1} 和隐状态 s_{u-1}；输出为当前标签 y_u 对应的嵌入 h_pred_u 和新的隐状态 s_u。在分块处理时，预测器输出序列 H_pred 也被划分为N个块 (H1_pred,…,HN_pred)，以匹配编码器输出块。

3. 连接器（Joiner）：

   • 功能：融合编码器和预测器的输出，进行最终的概率预测。其参数结构与HAT（混合自回归转导器）的连接器相同，但输出分支不同。
   • 内部结构/实现：
     • 首先，通过一个tanh层将编码器第n块内第 u_n 帧的表示 h_{(n-1)×L_c+u_n}^{enc} 和预测器在该块第 u_n 步的嵌入 h_{u_n}^{pred} 映射到共享的连接空间，得到中间表示 h_{u_n}^{joiner} (公式7)。
     • 然后，从该 h_{u_n}^{joiner} 引出两个预测头：
       • 标签头：通过一个线性层+Softmax，预测下一个标签的概率分布 y_{u_n}^{label} (维度为V，公式9)。
       • EOC头：通过一个线性层+Sigmoid，预测当前标签位置对应“块结束”的概率 y_{u_n}^{eoc} (标量，公式8)。
   • 输入输出：输入为音频块内某一帧的编码和预测器当前步的嵌入；输出为标签概率分布 y_{u_n}^{label} 和EOC概率 y_{u_n}^{eoc}。

4. 块内自转导（Chunkwise Self-Transduction）：

   • 功能：这是对原Aligner“自转导”机制的改进。它要求编码器的自注意力模块学习将每个音频块内的标签信息，局部地对齐（或“重排”）到该块最左侧的若干帧上。
   • 实现：训练时，首先使用强制对齐工具（如MFA）或预训练CTC模型，将真实文本标签分配到具体的音频块（即确定每个块包含哪些标签）。编码器在进行自注意力计算时，其优化目标是隐式地实现这种块内的局部对齐。图2可视化了此机制：Chunkwise Aligner的自注意力权重被限制在红色方框标出的各个块内，形成局部对角线模式，与Aligner全局的对角线模式形成对比。
   • 收益：相比Aligner需要将整个序列的标签重排到开头的全局任务，块内对齐距离更短，学习难度更低。这使得模型对未见过的音频长度更鲁棒（无需数据拼接），并天然支持流式处理。

组件间的数据流与交互：

1. 分块处理：编码器输出序列 H_enc 被分割成N个固定长度 L_c 的块 (H1_enc,…,HN_enc)。训练时，标签也通过强制对齐被分配到对应的块。
2. 解码循环（以处理第n个音频块 H_n_enc 为例）：
   • 输入：处理第n块时，假设集 B 由上一处理完的块（第n-1块）通过EOC推进过来的假设组成。
   • 帧内搜索：对于块内的每一帧 h_t^{enc}，连接器计算当前假设在每一步的标签概率和EOC概率。
   • EOC决策：如果某个假设在当前帧的EOC概率 y_u^{eoc} > τ，则该假设被移入“待推进集” C（公式(17)），并停止在当前帧为该假设计算标签概率（continue）。这意味着EOC信号“短路”了后续的标签概率计算。
   • 标签预测：对于EOC概率未超阈值的假设，连接器计算标签概率分布，并扩展假设集 A。
   • 块结束：处理完当前块所有帧后，将待推进集 C 和经剪枝后的活跃假设集 B 合并、剪枝，作为处理下一个块（第n+1块）的初始假设集 B。
3. 关键交互：预测器状态 s 在整个解码过程中持续自回归更新，无论是否触发EOC。EOC概率是连接器在每个解码步同时预测的输出之一，它决定了假设是否可以携带当前状态（包括预测器隐状态）推进到下一个音频块。

关键设计选择及动机：

1. 分块 vs 全局对齐：动机是使Aligner具备流式能力。全局对齐需要看到整个序列，无法流式；分块后，模型只需要关注当前块和有限的历史信息（流式编码器），并依赖EOC信号来决定何时推进，符合流式处理需求。
2. 引入EOC概率 vs 使用空白符号：动机是保持训练的简单性（交叉熵）。Transducer需要建模所有可能的对齐（包括大量空白步），计算昂贵。EOC概率被训练为在每个块的最后一个标签处接近1，其他位置接近0。它不建模序列中的“空白”填充，只建模“块边界”决策，因此训练目标简单（二元交叉熵）。
3. 标签同步解码 vs 帧同步解码：动机是提升解码效率。在EOC的控制下，当所有假设都触发EOC后（Algorithm 1第10行），解码器无需再计算到当前块的最后一帧，可提前结束当前块的处理。此外，由于解码步骤主要与标签数U相关，且EOC触发后跳过后续标签概率计算，理论上减少了计算量。

架构图/流程图：

• 说明：该图展示了Chunkwise Aligner的整体工作流程。左侧是输入的音频特征序列X，经过编码器（包含因果卷积以支持流式）被分割成多个块（H_enc_1, H_enc_2, ...）。中间的连接器部分清晰地展示了其双头结构：对于第n块内的某个标签位置，连接器同时输出标签概率（下方分支，用于扩展假设）和EOC概率（上方分支）。蓝色块代表“标签信息”，它们被局部对齐到每个音频块最左侧的帧上（块内自转导）。关键机制由红色箭头和文字“EOC > τ”标出：当某个假设的EOC概率超过阈值τ，该假设就会被携带状态（包括预测器状态）推进到下一个块（如从块1到块2）。图中也显示了即使某个块没有预测任何标签（如块2，EOC仍被触发），解码流程也能正确推进。

专业术语解释：

• 自转导（Self-transduction）：原Aligner提出的一种机制，指编码器内部的自注意力网络学习重新排序输入的声学信息，使其输出序列能与文本标签序列直接对齐，从而绕过显式的对齐步骤，允许使用简单的交叉熵损失进行训练。
• 块结束概率（EOC Probability）：本方法引入的一个可学习的标量，由连接器网络预测。它被训练为在分配给当前音频块的最后一个标签对应的位置上输出高概率值（接近1），用于指示解码器可以结束当前块的处理并推进到下一个块。
• 强制对齐（Forced Alignment）：一种离线处理技术，使用预训练模型（如MFA或CTC）和真实文本，为每个训练样本中的每个标签生成其对应的精确音频时间戳（起始和结束帧）。本方法依赖此对齐信息来将标签分配到具体的音频块进行训练。
• 对齐延迟（Alignment Delay）：在流式ASR训练中，由于模型需要预测未来，标签的实际发射时间会晚于其对应声学事件的起始时间。因此，在训练时，会对强制对齐生成的标签时间戳施加一个向后的偏移（如160ms, 320ms），以模拟这种延迟，使训练数据更接近真实的流式场景。

💡 核心创新点

1. 提出Chunkwise Self-Transduction机制：这是对原Aligner全局自转导的改进。通过将对齐任务限制在固定长度的音频块内，降低了学习难度（对齐距离缩短），使模型能够处理任意长度的音频，并天然支持流式处理（编码器只需看当前和有限历史块）。这直接解决了原Aligner无法用于流式的根本缺陷。
2. 引入可学习的EOC概率进行块间决策：设计了一个由连接器网络预测的二元信号（EOC），训练目标是使每个块的最后一个标签位置输出高概率。这为流式解码提供了一个清晰、数据驱动的推进信号，替代了Transducer中复杂的空白符号动态规划，同时保持了训练目标的简单性（交叉熵）。
3. 实现标签同步的流式解码：在EOC信号的引导下，解码过程的主要计算发生在预测新标签的步骤（与假设标签长度U相关），而非音频帧的每一步（与音频长度T相关）。当所有假设触发EOC后，可提前结束当前块的计算，从而带来潜在的解码加速。
4. 在保持简单训练目标的同时恢复流式能力：核心价值在于调和了Aligner（训练简单，交叉熵损失）和Transducer（支持流式）之间的矛盾。Chunkwise Aligner采用类似Aligner的交叉熵损失训练标签预测，同时用一个额外的二元交叉熵损失训练EOC，总损失简单相加，避免了Transducer训练中昂贵的前向后向算法。

📊 实验结果

主要Benchmark与结果： 论文在两个主流ASR数据集上进行了评估：英文的LibriSpeech和日文的CSJ。

1. LibriSpeech 离线ASR结果（表1）

• 关键结论：Chunkwise Aligner在WER上达到与Transducer相当的性能（差异在0.1%以内），但解码RTF（0.12）仅为Transducer（0.30）的约40%，解码速度提升约2.5倍。它也显著优于原Aligner和AED的RTF。使用离线CTC对齐与使用ground-truth对齐效果无差异。

2. LibriSpeech 流式ASR结果（表2）

• 测试了不同对齐延迟对流式性能的影响。

• 关键结论：通过引入320ms的对齐延迟，Chunkwise Aligner（WER: 3.2%, 7.9%）可以达到与流式Transducer（3.1%, 7.6%）非常接近的性能。然而，使用流式CTC对齐（无延迟）的效果比使用带最佳延迟的ground-truth对齐要差。

3. CSJ 离线与流式ASR结果（表3）

• 评估了日语数据集，进一步验证方法的跨语言适用性。所有Chunkwise Aligner模型使用无延迟的CTC对齐训练。

• 关键结论：Chunkwise Aligner在离线和流式设置下，CER均与Transducer持平。离线RTF（0.16）比Transducer（0.30）快约1.875倍。这证明了方法的跨语言适用性。

图表说明：

• 说明：此图可视化了Aligner（a）和Chunkwise Aligner（b）编码器第16层某个注意力头在处理同一个句子时的自注意力权重。图(a)显示Aligner将所有标签（纵轴）的注意力都集中到音频序列（横轴）最左侧的一小段帧上，形成一条从左下到右上的全局对角线模式。图(b)中，红色方框标出了音频块的边界。可以清晰地看到，Chunkwise Aligner的注意力权重被限制在了各自的红色方框（块）内，在每个块内部形成了一个小对角线模式，直观地证明了“块内自转导”机制生效，对齐是局部完成的。

🔬 细节详述

• 训练数据：

  • 数据集：LibriSpeech（英文）、CSJ（日文）。
  • 预处理：输入为80维log梅尔滤波器组，窗长25ms，帧移10ms。
  • 数据增强：论文提及采用了[10, 19, 20]中的方法进行数据增强，但未在正文详述具体技术。
  • 分词：LibriSpeech使用word-piece tokenizer（词表大小1,000）；CSJ使用character tokenizer（词表大小3,262）。
  • 对齐生成：训练Chunkwise Aligner所需的强制对齐，使用了Montreal Forced Aligner (MFA) 生成ground-truth对齐，或使用一个预训练的带Inter-CTC损失的Conformer模型生成CTC对齐。

• 损失函数：

  • L_total = L_label + L_eoc (公式10)。
  • L_label：标准的交叉熵损失，优化每个标签位置u_n的预测标签概率分布 y_{u_n}^{label}。
  • L_eoc：二元交叉熵损失。目标标签构建为：在每个音频块的最后一个标签位置 U_n（对应第 U_n 个标签），目标值为1；在所有其他位置（包括每个块的非最后标签位置，以及每个块末尾由最后一个标签与下一帧编码计算出的额外位置），目标值为0。因此，EOC目标总共有 U+N 个（U个标签位置 + N个块各一个额外位置）。

• 训练策略：

  • 优化器：Adam。
  • 学习率：峰值学习率为1.5e-3，有25k步的warm-up。
  • 训练周期：100个epoch。
  • 批次大小：论文未明确说明。
  • 编码器初始化：当使用CTC对齐时，编码器使用预训练的CTC模型参数进行初始化（该预训练模型本身包含Inter-CTC损失）。其他情况（如使用ground-truth对齐）使用随机初始化。

• 关键超参数：

  • 编码器：17层Conformer块，模型大小约110M参数。二维CNN embedder有256个滤波器，下采样率4，卷积核大小15（替换了原始Conformer的31，并用层归一化替代批归一化）。 流式编码器：使用因果卷积，当前块和历史块大小均为15帧。考虑下采样率4，算法延迟为 15 4 * 10ms = 600ms。
  • 解码块大小 L_c：固定为15帧（无论离线还是流式模式）。
  • 预测器：640维LSTM。
  • 解码：beam size = 8；EOC阈值 τ = 0.5（论文提及预实验显示τ不敏感）。

• 训练硬件：论文未说明。

• 推理细节：

  • 解码策略：分块的束搜索（Beam Search），具体流程见Algorithm 1。
  • 流式设置：编码器使用因果Conformer，输入音频流被切分成块（考虑历史上下文），解码块大小L_c=15。
  • 关键机制：在解码每个音频块时，对每个假设进行帧同步搜索，但当检测到EOC概率超过阈值时，将该假设放入“待推进集”。处理完当前块所有帧后，“待推进集”中的假设成为处理下一个块的种子。当所有假设都触发EOC后，可提前结束当前块的搜索。

• 正则化或稳定训练技巧：论文未提及除数据增强外的其他技巧。

⚖️ 评分理由

创新性：1.5/3

• 意见：问题定位明确（解决Aligner的流式能力缺失）。方法核心（分块+EOC）是直接且有效的工程创新，将全局对齐局部化并引入边界控制信号。然而，这本质上是在已有Aligner框架上的适配性改进，而非提出全新的对齐范式或理论突破。创新性更多体现在解决特定限制的巧妙性上，而非普适性原理。

技术严谨性：1.5/2

• 意见：方法描述清晰，公式定义明确（7-10式），训练和解码算法（Algorithm 1）逻辑自洽。损失函数设计合理，EOC目标的构建逻辑清晰。论文也诚实地指出了方法的关键依赖——对齐质量，并在实验中进行了探究。不足在于：1）对EOC概率与预测器状态如何具体交互、块内对齐的梯度传播等机理探讨较少；2）算法1第17行将假设放入C集时携带的是 s_{u-1} 而非 s_u，这是一个关键设计选择但未充分解释其合理性。

实验充分性：1.5/2

• 意见：实验设计较为全面，覆盖离线和流式两种场景，在两个不同语言的主流数据集（LibriSpeech, CSJ）上验证。与多个基线（Transducer, CTC, AED, Aligner）进行了性能（WER/CER）和效率（RTF）对比。关键消融实验是“对齐延迟”的探究（表2）。局限在于：1）未提供不同解码块大小 L_c 对性能影响的消融实验，这是影响延迟、性能和计算量的关键超参数；2）未报告训练时的显存占用或训练时间与Transducer的对比，而“降低训练成本”是论文声称的核心优势之一；3）未与近年其他流式ASR工作（如基于注意力机制的）进行更充分的对比讨论。

清晰度：0.8/1

• 意见：论文结构完整，写作流畅。公式(1)-(10)推导清晰，符号定义一致。Figure 1的架构图很好地辅助了方法理解。Algorithm 1的伪代码详细。主要不足：1）第2.1节描述预测器输入输出时，关于 H_pred 生成的描述可以更明确；2）训练数据准备中，关于 U+N 个EOC目标标签的构建过程，文字描述略显抽象，若能结合具体数字例子会更好理解。

影响力：0.6/1

• 意见：对追求低延迟、高训练效率的流式ASR应用场景有明确价值。其“训练简单（交叉熵）+ 解码快”的组合优势具有工程吸引力。然而，其应用场景较为特定（流式ASR），且性能天花板未超越Transducer，核心优势（速度）是在相似性能下的效率提升。方法对强制对齐的依赖也限制了其在完全端到端场景中的应用潜力。

可复现性：0.4/1

• 意见：论文提供了详细的超参数设置、模型架构描述和解码算法伪代码，使用了公开数据集。然而，论文未提及任何代码开源计划、模型权重发布。仅依赖论文描述进行完全复现，特别是在数据预处理（如精确复现MFA对齐流程、数据增强细节）、训练配置（如批次大小）等方面存在较高门槛。

总分：6.3/10 （计算：创新性1.5 + 技术严谨性1.5 + 实验充分性1.5 + 清晰度0.8 + 影响力0.6 + 可复现性0.4 = 6.3）

🚨 局限与问题

1. 论文明确承认的局限：

• “Our results show that our method’s performance is dependent on the alignment used during training.” 模型性能强烈依赖于训练时使用的强制对齐质量，尤其是在LibriSpeech上使用质量较差的流式CTC对齐导致性能下降。
• “Improving performance without relying on high quality alignments remains a direction for future work.” 未来工作方向是摆脱对高质量外部对齐的依赖。
• “Preliminary experiments showed that varying the threshold τ did not yield a significant impact on recognition performance.” 虽然声称阈值τ不敏感，但这可能也意味着对该超参数的调优不充分或模型对其过于鲁棒，未体现细微差别。

2. 审稿人发现的潜在问题：

• 对齐延迟的调优负担：流式性能对人为设定的“对齐延迟”（表2）高度敏感，最佳延迟（320ms）需要通过实验确定。这引入了一个额外的、与数据集和系统延迟强相关的超参数，增加了部署和调优的复杂度。论文未讨论如何自动或在线地调整此延迟。
• 块大小固定且未经验证：解码块大小 L_c 被固定为15，这是一个重要的设计选择，但论文未提供任何关于此选择依据的讨论，也未提供不同 L_c 值（如10， 20）对性能、延迟和RTF影响的消融实验。块大小直接影响流式延迟、识别性能和计算量，其固定可能不是最优的。
• 训练成本声称缺乏实证：论文声称“reduces training costs”，这主要基于计算复杂度分析（训练网格大小从 T×U×(V+1) 降至约 U×(V+1+N/U)）。然而，论文未提供具体的训练时间、GPU内存占用与Transducer的对比数据。虽然理论分析合理，但缺乏实证支持，无法评估实际训练效率的提升幅度。
• 流式结果对比的公平性：在流式测试中（表2），所有模型（包括Transducer）都使用了流式编码器。Chunkwise Aligner的流式性能，有多少归功于其分块解码机制，有多少归功于流式编码器本身？论文未说明流式Transducer基线是否也是重新训练的，还是直接复用离线模型（仅在解码时限制上下文），这可能影响对比的公平性。
• 对齐生成的依赖与端到端纯粹性：强制对齐步骤是离线的、额外的，且需要外部工具（MFA）或预训练模型（CTC）。这违背了完全端到端训练的理想。虽然Transducer的训练隐式地学习对齐，但Chunkwise Aligner的对齐是显式且必需的前置步骤，其质量直接决定了模型的性能上限。
• EOC决策的启发式阈值：解码时使用固定阈值 τ=0.5 来判定EOC，这是一个启发式选择。论文未探讨使用更复杂的决策（如学习阈值、结合置信度）是否能带来性能提升。

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