📄 MiCLA:用混合到成分的残差对齐学习复调音频表示

英文题目:MiCLA: Mixture-to-Constituent Latent Alignment for Polyphonic Audio Representation Learning

评分:7.5/10 | 创新 1.5/2 | 技术严谨 1.2/1.5 | 实验充分 1.3/1.5 | 清晰度 0.8/1 | 影响力 1/1.5 | 开源 0/1.5 | 可复现 0.5/0.5 | 工程/实践 1.2/1.5

👥 作者与机构

  • Kohei Yamamoto:Research & Development Center, Technology Division, Oki Electric Industry Co., Ltd., Saitama, Japan.
  • Kosuke Okusa:机构信息未能在本次解析中与作者逐人可靠绑定

📌 核心摘要

真实录音常包含多个同时发生的声音事件,模型需要在保留整体声学背景的同时,让下游可读出每个构成片段的语义。已有掩码自蒸馏多把单个片段作为训练单元,混合声音监督平均化(SSLAM)把两个构成片段的教师目标平均为一个目标,没有要求混合表示同时保留两者的可访问信息。MiCLA(Mixture-to-Constituent Latent Alignment,混合到构成潜在对齐)先在第一阶段用掩码自蒸馏与实例级对比约束建立单个片段的表示空间,再在第二阶段加入合成混合,用残差化去掉一个构成方向后与另一个构成的教师表示对齐,并交换方向形成双向任务。局部块标记(patch token)记录局部时频内容,采用完全投影去除;全局类别标记(class token,CLS)汇总全局上下文,采用按样本自适应调节去除强度,以保留可能的共享背景。微调下该方法在 AudioSet-20K 上达到 43.2% 平均精度均值(mean average precision,mAP),在 AudioSet-2M 上达到 50.3% mAP;在冻结 Convex Gated Probing(凸门控探测,CGP)下在两个 AudioSet 切分上均为受比较模型中最高,联合语义检索中相对匹配的目标平均基线平均提高 5.0-9.2 个百分点。结论适用于两两对数梅尔插值混合与所用 ViT 编码器,未验证无约束真实混合、未知事件和多于两个声源;原文未披露训练、推理或部署成本。

🔗 开源与复现资源

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🧭 深度解读

现实音频为什么难用单标签思路处理

刚进入音频领域的研究生首先要建立输入图像:一段 10 秒左右的录音经过重采样与短时分析,会变成频率轴为 128 个梅尔 bins、时间轴为数百帧的对数梅尔谱。真实录音里语音、机器声、音乐与背景噪声常常同时出现,同一谱图的不同时频区域可能属于不同事件。任务目标是多标签分类,即对 527 类声音事件同时判断有无,输出是每类的概率。必须保留的信息是整体声学上下文以及每个重叠事件的可辨别线索,评价用平均精度均值,数值越高越好。单片段训练只要求模型记住一个片段的整体特征,没有规定混合与其成分之间应满足什么几何关系,这正是本文要补的约束。

已有自监督路线在哪里没有约束混合关系

掩蔽音频建模把谱图切成时频块,遮住大部分后要求从可见块恢复被遮住部分,教师网络通常由学生网络的指数滑动平均得到,提供跨层的上下文目标。对比学习则把同一片段的不同增强视图拉近,把不同片段推开,整理表示空间的距离结构。混合增强在微调阶段很常见,把两个波形或谱图按比例相加作为增广,提高分类鲁棒性,但它只改变输入分布,不约束混合表示与成分表示的对应关系。

与本文最接近的 SSLAM 同样利用混合与混合前谱图的对应,但在掩蔽块预测时把两个成分教师目标取平均作为监督。取平均的最优解可以是两个目标的中点,它不要求混合表示同时保留 2 个方向的信息,也不直接在类标记层面施加成分可及性约束。声源分离则要输出波形或掩蔽,目标与本文的表示学习目标不同。

论文要解决的具体几何问题是什么

论文把问题形式化为已知对应关系的两成分混合如何保留双方信息。记混合的学生表示为混合向量,两个成分的教师目标为两个向量。若直接让混合同时靠近两个目标,等权平方误差的最优点是两目标的平均,它对两目标夹角没有直接压力,任何相对角度都能达到同样的平均形式。

论文的几何动机是引入投影残差:在理想归一化与恒等预测假设下,先减去混合在其中一个目标方向上的投影,再与另一个目标比较,残差误差的最小值等于两目标内积的平方,即夹角余弦的平方。只有当两目标方向正交时该最小值为零,重叠越大则不可避免的误差越大。这只是一个启发性分析,不是实际训练中正交性的保证,但它说明方向残差能提供分离方向的压力。

实际中成分片段本身也可能包含多个事件,且不需要类别标签与干净单源,方法只利用已知的混合与成分配对。

两阶段与双粒度对齐的总体流程

MiCLA 的输入是标准化后的对数梅尔谱,骨干是 12 层视觉变换器,谱图被切成互不重叠的时频块,另有一个汇总全局信息的类标记。第一阶段只用成分片段,用掩蔽自蒸馏与实例级对比正则建立成分侧几何。第二阶段继续保留这两项目标,同时加入合成混合与双向对齐。合成混合由两个成分谱凸插值得到,混合系数从贝塔分布采样,默认参数为 4。关键设计是两个成分与混合共享同一套可见与掩蔽位置划分,使相同时频位置的块标记可以直接对应。

对有序对先以其中一个为目标、另一个为需抑制的对应方,算一次残差对齐,再交换角色算第二次,两次损失取平均。块级与类级采用不同强度的残差操作,分别处理局部与全局信息。预训练结束后只保留学生编码器,教师、预测器与投影头都被丢弃,下游推理不再构造混合,因此不引入混合相关的推理代价。

混合由下式在标准化后的对数梅尔谱域构造,它是特征域的可控插值,不是物理波形叠加。

\[\mathbf{x}_{\mathrm{mix}}=\mu\mathbf{x}_{a}+(1-\mu)\mathbf{x}_{b}.\]

残差算子定义了按强度系数减去在对方方向上投影的操作,系数为 0 表示不变,为 1 表示完全正交化。

\[\rho_{\alpha}(\mathbf{u},\mathbf{v})=\mathbf{u}-\alpha\frac{\mathbf{u}^{\top}\mathbf{v}}{\|\mathbf{v}\|_{2}^{2}}\mathbf{v}.\]

块级损失把残差后的可见标记补齐掩蔽标记并经预测器预测,再与目标成分的教师块目标比较。

\[\ell_{\mathrm{patch}}(\mathbf{x}_{a},\mathbf{x}_{b})=\frac{1}{|\mathcal{M}|}\sum_{j\in\mathcal{M}}\left\|\mathbf{h}_{a|b}^{(j)}-\operatorname{sg}\left(\mathbf{p}_{a}^{(j)}\right)\right\|_{2}^{2}.\]

类级损失直接在表示上把软残差后的混合类标记与目标成分的教师类目标比较,不经过预测器。

\[\ell_{\mathrm{clip}}(\mathbf{x}_{a},\mathbf{x}_{b})=\left\|\rho_{\alpha_{a|b}^{\star}}\left(\mathbf{z}_{\mathrm{mix}},\mathbf{z}_{b}\right)-\operatorname{sg}\left(\mathbf{t}_{a}\right)\right\|_{2}^{2}.\]

第二阶段混合分支在哪里汇合

第二阶段的输入是 3 个谱:两个成分谱与由它们插值得到的混合谱,三者经过相同的块嵌入与共享随机掩蔽。学生编码器分别处理 3 路的可见标记,教师编码器只处理目标成分的完整输入以提供监督。学生侧的混合块标记与对应方块标记进入块级硬残差,混合类标记与对应方类标记进入类级软残差。块级残差序列经掩蔽插入与预测器后与教师跨层平均目标比较,类级残差直接与教师最终层平均目标比较。图中只画出 1 个方向,另一方向交换目标与对应方角色并复用同一混合与混合系数。

读图时先确认混合节点的位置,再看学生编码器后 3 组颜色标记如何分别进入两个残差模块,最后看教师侧两类池化如何分别提供块级与类级监督。

看图路径: 1. 沿两个成分谱到混合节点的箭头确认混合构造位置;2. 比较共享掩蔽后学生侧三路表示的颜色与去向;3. 对照硬残差与软残差分别进入哪个损失

原论文 Fig. 2:Mixture-to-constituent latent alignment introduced in Stage 2.

论文图 2。原论文 Fig. 2::“Mixture-to-constituent latent alignment introduced in Stage 2.”。

图中上方成分与下方成分经混合节点得到混合,3 路共享掩蔽后进入学生编码器,绿色为目标成分表示,蓝色为混合与对应方表示。块级硬残差与类级软残差并行处理后分别进入各自的均方误差,教师侧经最终层平均与跨层平均提供两类目标,停止梯度符号标明只有学生侧更新。

第一阶段如何建立成分侧表示

第一阶段每个片段生成多个掩蔽视图,掩蔽采用块掩蔽且遮挡比例为 80%。学生只看到可见块,输出可见块标记与类表示;教师看到完整输入,提供每个位置的跨层平均块目标,以及最终层全部块标记平均后再做层归一化的类目标。掩蔽自蒸馏损失包含两项:预测器对被遮位置的平方误差,以及学生类表示与教师类目标的平方误差,教师侧都停止梯度。

实例级对比正则把每个视图的可见块标记平均后经多层感知机得到向量,同一片段的不同视图为正对,批次内其他成分片段的视图为负例,合成混合不进入负例集合。用温度系数的余弦相似度定义对比损失。由于无标签片段之间也可能共享场景或语义,这里的负例区分的是片段实例而非语义类,其作用是维持成分侧几何,为第二阶段的混合对齐提供稳定的坐标系。

掩蔽自蒸馏 × 实例级对比正则: 掩蔽自蒸馏负责从同一片段的可见块预测教师的完整上下文目标,建立局部到整体的重建能力;实例级对比正则负责把同一片段不同掩蔽视图拉近、把不同片段推开,稳定可见块聚合向量的实例几何。二者搭配后,前者提供语义丰富的目标空间,后者防止该空间在加入混合对齐时坍缩,共同为第二阶段保留成分侧结构。

成分片段 × 合成混合: 成分片段指直接输入的两个原始音频对应的对数梅尔谱,合成混合指把它们标准化后按系数凸插值得到的谱。成分片段提供目标与被抑制方向的来源,合成混合提供需要同时保留双方信息的输入,二者对应关系已知,因此可以在无标签条件下定义谁对齐谁的残差任务。

硬投影残差化 × 自适应软残差化: 硬投影残差化指系数固定为 1,完全减去混合表示在对方方向上的投影,用于编码局部时频内容的块标记;自适应软残差化指系数在 0 到 1 之间按样本计算,用于汇总全局上下文的类标记。搭配的原因是块级共享较少可彻底去除,全局级可能共享场景信息需保留,组合后实现局部彻底分离而全局保留共性。

微调 × 凸门控探测: 微调指编码器与分类头一起更新,衡量模型对下游任务的适应能力;凸门控探测指冻结编码器,只用跨层跨标记的凸权重与原型分类器读出信息,衡量信息在冻结表示中的可及性。二者搭配才能区分性能来自表示本身还是来自下游改写,本文主结论依赖两者一致但侧重不同。

目标平均 × 方向残差对齐: 目标平均指把两个成分教师目标直接取平均作为混合的预测目标,不要求保留各自方向;方向残差对齐指先抑制混合中对准其中一个成分的分量,再把剩余部分对准另一个成分,并交换方向做两次。搭配比较的意义是分离混合监督本身的增益与方向性压力的增益,论文用该对照证明残差带来的联合可检索性提升。

块级硬残差与类级软残差如何分工

块标记编码局部时频内容,论文认为可以直接做完全投影去除。对共享可见位置,取混合的学生块标记与对应方成分的学生块标记,系数取 1 得到硬残差,再恢复位置、插入可学习掩蔽标记,经同一预测器预测被遮位置,与目标成分的教师块目标算平方误差。梯度同时经过混合与对应方的学生路径,只有教师目标被停止梯度。类标记汇总全局上下文,可能包含两个成分共有的环境或重叠事件信息,若强制完全去除会丢掉有用共享信息。

因此类级采用样本自适应软残差:先在学生侧选择使残差后混合表示最接近目标成分学生表示的系数,并裁剪到 0 到 1 之间,再用该系数残差化后与教师类目标对齐。系数选择完全基于学生表示的内积,计算时停止梯度,避免目标侧通过门控路径形成捷径,但后续残差中的混合与对应方表示仍可微。当目标与对应方重叠接近零时系数接近 1,当重叠相对较大时系数变小,从而保留更多可能共享的内容。

两阶段目标与训练细节如何衔接

第一阶段目标是掩蔽自蒸馏与对比损失的加权和,只在成分分布上取期望。第二阶段保留这两项对成分视图的约束,新增双向混合损失。混合损失对每个方向是块级与类级损失之和,2 个方向等权平均,混合比不用于加权对齐项,目的是即使在不均衡混合下也要求双方都可及。对比损失在第二阶段仍只用成分视图计算,混合视图只进入混合损失。实现上在每个显卡批次内按轮转配对构造混合,每个成分生成 8 个掩蔽视图,其中 4 个与混合的 4 个视图共享掩蔽模式。

平方误差损失在加权前除以维度的平方根归一化,掩蔽自蒸馏与混合损失权重均为 1.0,对比权重为 0.01。编码器用绝对位置编码处理频率轴、用旋转位置编码处理时间轴,教师动量从 0.9998 调度到 0.99999。预训练在约 1,960,000 条的 AudioSet 全量子集上进行,随机裁 6 秒片段,谱长为 608 帧。

下面读图说明有助于理解第一阶段两条损失如何从同一组可见标记分叉,重点看学生可见标记向上分出对比分支与预测分支,教师完整标记向下分出两类池化目标。

看图路径: 1. 沿左下音频到学生与教师两条支路看输入如何分叉;2. 看可见标记如何同时走向对比分支与掩蔽预测分支;3. 看教师侧两类池化分别对应类标记与块标记目标

原论文 Fig. 1:Constituent-side pre-training in Stage 1.

论文图 1。原论文 Fig. 1::“Constituent-side pre-training in Stage 1.”。

图中左侧是对数梅尔谱同时送入学生与教师,学生只处理可见标记,教师处理全部标记。学生可见标记经全局平均池化与多层感知机进入对比损失,另一路经掩蔽标记插入与预测器进入块级均方误差;学生类标记直接与教师最终层平均池化后的类目标比较。教师块标记经跨层平均池化提供块目标,虚线表示指数滑动平均更新,斜线表示停止梯度,丢弃的教师类标记说明类目标不直接使用教师类标记本身。

评测如何区分适应能力与表示可及性

论文用 4 类评测回答不同问题。微调把分类头接在类标记上,编码器与分类头一起更新,反映适应能力,多标签用带 logits 的二元交叉熵,单标签在启用混合增强时也用二元交叉熵处理软目标。冻结探测主要用凸门控探测,编码器冻结,从各层取出块标记与类标记,用可学习的凸权重聚合层信息并用原型相似度分类,它能利用中间层信息,衡量跨层分布的信息可及性,而非仅最终层线性可分性。附录另有只用最终层类标记拼接块平均的简单线性探测,作为对照。

单标签部分复用 EVAR 平台的数据集套件,多标签包括 AudioSet 的 20K 平衡子集与 2M 全量子集以及跨数据源的 FSD-50K。联合语义检索是诊断性任务:在 ESC-50 上冻结类表示,为每类构建原型,对两类合成混合计算与 50 个原型的余弦相似度,只有当两个真实成分类同时出现在前 K 个检索结果中才算正确,随机基线在 50 类下约为 0.82% 与 3.67%。

多标签微调与冻结探测显示了什么

微调比较关心的是在复调多标签上的绝对精度。论文报告 MiCLA 在 AS-20K 与 AS-2M 上的数值,以及与同表顶尖模型的并列情况。下表只整理有连续原句支撑的关键数字,比较问题是完整微调下 MiCLA 是否在平衡子集取得领先并在全量集保持并列顶尖。

条件指标SSLAM 与 AudioMosaicMiCLA
AS-2M 微调mAP (%)50.2%50.3%
AS-20K 微调mAP (%)-43.2%

上表说明 MiCLA 在 AS-20K 达到 43.2%,在 AS-2M 达到 50.3%,后者与表中 50.2% 的两个并列顶尖模型基本持平。限制是表中对比模型的数值引自各自论文而非统一复现,训练轮数、增强与模型参数不完全一致,因此只能说在所列模型范围内具有竞争力,不能推广为所有条件下的最优。冻结探测部分,论文在统一凸门控探测流程下复跑了 EAT、SSLAM、AudioMosaic 与 BAT 的官方权重,MiCLA 在 AS-2M 取得 46.3% 而在 AS-20K 取得 37.8%,分别超出次高 0.6 与 0.5 个百分点,在 FSD-50K 取得 62.1%,略低于 BAT 的 62.5%。这支持冻结表示中跨层信息的可及性结论,但同样只在该探测头与预处理对齐的条件下成立。

读图说明:下面四面板展示联合检索随混合比的变化,横轴是混合比,纵轴是联合准确率,重点比较蓝色实线代表的完整 MiCLA 与其他基线的位置关系。

看图路径: 1. 先看四个面板的横轴混合比与纵轴联合准确率方向;2. 比较蓝色实线与其他虚线在不同混合比下的相对位置;3. 注意对数梅尔混合下面板中蓝色线的上升幅度

原论文 Fig. 3:Joint Semantic Retrieval on ESC-50.

论文图 3。原论文 Fig. 3::“Joint Semantic Retrieval on ESC-50. The panels show JTA@5 and JTA@10 for waveform and log-mel mixtures across mixing ratios \mu.”。

图中可见在波形混合与对数梅尔混合的 JTA@5 与 JTA@10 面板中,蓝色实线在多数混合比上位于最上方,尤其在对数梅尔混合的中高混合比区间拉开差距。这帮助理解微调精度差距很小时,联合检索仍能暴露成分保留能力的差异,但曲线纵轴量级本身不高,说明同时检回两类的任务难度较大。

联合检索与单标签迁移的证据如何理解

联合检索的比较问题是混合表示能否同时保留两个成分方向。下表整理波形与对数梅尔两种混合域下以混合比平均后的联合准确率,指标方向为越高越好。

混合域与指标无混合基线目标平均基线完整 MiCLASSLAM
波形 JTA@510.2%11.5%17.2%16.7%
波形 JTA@1023.1%26.1%35.3%33.2%
对数梅尔 JTA@56.9%14.7%19.7%-
对数梅尔 JTA@1017.8%32.6%40.0%-

上表显示从无混合到目标平均再到完整 MiCLA 逐级提升,波形下完整方法比目标平均高 5.7 与 9.2 个百分点,对数梅尔下高 5.0 与 7.4 个百分点。论文指出完整方法与目标平均在 AS-20K 微调仅差 0.3 个点,但在检索上差距达 5.0 到 9.2 个百分点,说明常规微调精度不能充分暴露成分可及性。限制是检索用 ESC-50 的合成两类混合与类原型余弦,每对类构造 10 个查询且实例可复用,它是受控诊断而非真实 unconstrained 混合。单标签冻结探测中 MiCLA 在 US8K 与 NSynth 排名第 1,在 SPC-2、GTZAN 与 Surge 排名第 2,但在 VoxCeleb-1 等语音任务上低于 BAT,说明混合对齐的增益集中在环境与音乐等多源场景,不能推广为全领域最优。

哪些组件贡献了增益与代价

消融的比较问题是在固定 AS-20K 微调精度下分离各设计的贡献。下表聚焦第二阶段的核心对照,指标为 mAP,越高越好。

设置mAP
目标平均42.9±0.1 mAP
完整 MiCLA43.2±0.1 mAP
去除第二阶段对比正则42.0±0.1 mAP

上表说明仅加混合监督的目标平均比无混合高 0.2 个点,而方向残差在此基础上再高 0.3 个点;去掉第二阶段对比正则则掉到 42.0%,下降 1.2 个点,说明维持成分侧结构对混合对齐很重要。论文还报告块对齐与类对齐单独使用分别为 42.9% 与 43.1%,联合为 43.2%,软残差比硬去除高 0.2 个点,第一阶段去掉对比或把时间旋转位置编码换成绝对位置编码各下降约 1.2 到 1.3 个点。

混合域比较中对数梅尔混合为 43.2%,高于波形的 42.9% 与线性梅尔的 42.8%,论文解释为避免了波形相位干涉与高幅值主导,但这只是与趋势一致的解释而非因果证明。混合比敏感性中固定 0.5 与贝塔参数 1 到 8 的单次运行结果在 42.9% 到 43.3% 之间,说明对混合比分布不敏感。代价是第二阶段需同时前向 3 路并计算双向损失,训练步数与显存开销高于单阶段,但推理时无额外代价。

下表是附录的补充线性探测,它只用最终层特征,能检验信息是否集中在最终层,指标同样为 mAP,越高越好。

ModelAS-2MAS-20KFSD-50K
EAT [9]35.229.150.3
BAT [17]37.432.555.8
MiCLA (ours)34.729.552.1

上表显示在仅用最终层拼接特征的简化读出下,MiCLA 在 AS-2M 为 34.7%、AS-20K 为 29.5%、FSD-50K 为 52.1%,高于 SSLAM 但低于 BAT。这与主文凸门控探测的排名不同,恰好说明成分相关信息分布在中间层,需要多层探测才能充分读出,不能把线性探测的落后解读为表示本身无效。

结论在什么条件下才成立

首先,所有混合都是两源合成混合,预训练在对数梅尔域插值,检索也在合成混合上评估,论文明确未来工作包括无约束真实混合、未知事件与多于两源,因此不能把结果推广到真实重叠与三源以上场景。其次,成分片段本身可能含多事件,方法不要求干净单源,但这也意味着残差对齐的成分方向本身是混合语义,几何解释中的正交压力只是归纳偏置而非分离保证。第三,主结果的微调对比引用各论文报告值,训练预算与增强不统一。

冻结对比虽统一了探测头,但各基线保留各自预处理与原生长度,FSD-50K 与 GTZAN 按块平均预测,长度差异仍可能影响绝对值。第四,单标签上 MiCLA 并非全面领先,语音说话人与部分语音任务上差距明显,说明其优势限于复调与部分音乐环境任务。最后,附录线性探测与主探测排名不一致,提醒读者指标与读出方式决定结论,换读出可能改变排序。

复现第一步需要固定什么

复现应从数据与前端固定起:16 kHz 重采样,400 点汉宁窗、160 跳长、128 梅尔、1024 点傅里叶变换,标准化用固定均值与方差,AudioSet 裁 6 秒、谱长 608 帧。骨干为后归一化 12 层变换器,隐藏维度 768,16 乘 16 块划分,频率用绝对位置编码、时间用旋转位置编码,长输入用 YaRN 外推。预训练分 2 个阶段,第一阶段 400K 步、峰值学习率 5.0 乘 10 的负 4 次方,第二阶段 200K 步、峰值 5.0 乘 10 的负 5 次方,对比温度 0.2、权重 0.01,混合系数从贝塔分布采样默认参数 4,批次内轮转配对。

微调与探测的学习率、层衰减与增强需按任务分别设置,ESC-50 无增强,其他任务用混合增强与频谱掩蔽。论文未公开本工作的训练代码与权重链接,证据清单中可达链接均为第三方评测平台与他人模型权重,不能写成作者资源已公开。复现时应先跑通第一阶段的掩蔽自蒸馏与对比基线达到约 42.6% 再进入第二阶段,否则无法分离混合对齐的增益。

什么时候值得尝试与还缺什么验证

当任务是复调多标签、需要冻结表示同时保留多个事件线索,或希望在不增加推理代价下增强混合可检索性时,值得尝试这种方向残差思路,尤其是已有掩蔽自蒸馏基线并能承担第二阶段 3 路前向成本的团队。复现第一步是固定前端与 2 阶段基线,先验证成分侧几何稳定,再加入双向残差并用联合检索诊断成分可及性,而不仅看微调精度。

还缺的验证包括真实录音混合而非合成插值的表现、三源以上混合的扩展、未知类别与跨采集设备的稳定性,以及训练与推理的实际耗时与显存测量。容易产生的误解是把对数梅尔插值当成物理混音,或把几何动机中的正交结论当成训练保证,或把微调 0.3 个点的提升等同于检索上 5 到 9 个百分点的提升,三者对象与条件不同,不应混为一谈。

📎 论文与评分元数据

排名:前25% | 文档类型:方法研究 | arXiv 原文

⚖️ 评分明细

评分属于系统判断,不是论文实验结果;八维数值与总分见页首,原始审计记录保留在后端。

  • 评分规则:type-aware-v1

  • 评分模型:muse-spark-1.3-contributor

  • 评分请求协议:openai_responses


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