智能楼宇电视监控系统.docx

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智能楼宇电视监控系统

一、设计题目

智能楼宇电视监控系统

二、设计要求

智能楼宇电视监控系统是对预定的防护范围、监控目标，通过CCTV再现图像画面，并进行动态监视和记录，既便于对突发事件的监控，也用作录像取证。

其基本要求：

1、按照防护目标及监视的具体要求，对建筑的重要场所、通道、电梯轿厢、电梯厅、车库以及人流集中的厅，安装CCTV；其次对于商场来讲，也兼作内部管理，商品导购等。

2、系统的图像显示应能自动和手动切换，画面上应有摄像机编号和日期、时间等显示。

3、对某些预选的重要目标的电视监控，应能与防盗入侵报警、灯光联动，并能根据需要将现场图像切换至监视器显示及自动录像。

4、系统对重要或要害部门及其设施的防护部位要进行长时间的录像。

三、设计作用与目的

智能楼宇电视监控系统做为智能安保系统中的一部分,有着不可替代的作用。

目前中心建筑面积较大,从一楼到顶楼,从室外到室内的整个区域内，在工作人员响应较慢，人数相对缺乏，不少地点又需要24小时职守，而管理人员又想随时了解辖区内各地点的状况下，采用闭路电视监控系统,无疑是最好的选择。

此综合楼的整个闭路电视监控系统建成投入使用后，通过现代化的监控管理手段，不仅可以为整个区域营造一个和谐安全的办公环境，还可以通过报警、视频联动等管理手段，做到预防犯罪，现场录像，及时处理。

使管理人员对现场可能发生的事件做到及时掌握，为尽早决策争取时间，从而提高事件处理效率。

闭路电视监控系统，由于可在人们无法或不可能随时亲身直接观察的场合，却能实时、形象、真实地反映被监视控制对象的画面，已成为一种全新的高技术管理手段。

它不仅能全面细致的监视各个角落，而且能准确记录各种突发事件。

采用闭路电视监控系统，不仅降低了管理成本，而且提高了治安、保安管理质量。

实践证明拥有闭路电视监控系统，各种刑事犯罪发生率降低，综合管理效率提高。

同时还可以与防盗报警系统联动配合，进行报警时的联动录像。

基于以上认识，以及现有观测调控手段的局限性，我们可以看出安装CCTV监控系统的重要意义。

四、硬件系统

本论文设计并实现了一套多媒体监控系统，它是由摄像机及其辅助设备如镜头、云台、监视器、终端解码器、字符叠器、视音频矩阵切换器、画面分割器。

当然根据用户的需要，还可以配置拾音器、扬声器、电视墙、视频分配放大器等设备。

如图1所示

图1多媒体监控系统的组成

其中的核心组成设备:

矩阵切换器、终端解码器和字符叠加器是自己设计的。

画面分割器和长延时录像机用的是现有的产品。

字符叠加器能在每路视频信号上叠加用来区分摄像机的号码以及代表位信息的文字，同时也叠加时间。

终端解码器安装在摄像机及云台附近，它的功能是把由主控计算机发出的代表控制命令的编码信号（通过总线传送的串行数据）解码还原为对摄像机镜头和云台的控制信号。

视音频矩阵切换器是系统中非常重要的组成部分。

它是有多路输入通道和多路输出通道的设备。

它可使任一路输出通道选择任一路输人信号输出。

由于采用了交叉点矩阵开关使得各路输出工作独立、互不相关。

每一路输出都可接一个监视器，也就意味着可有多个工作人员同时进行监视，每个人监视的场景可以不同，也可部分相同，互不影响

主控计算机通过串行通信可控制矩阵切换器、终端解码器、字符叠加器;可控制所有8路输出的切换设置情况，可设置各路输人视频信号叠加的符，可遥控所有32路摄像机的三可变镜头以及云台。

遥控内容包括:

云台的上、下、左、右、自动搜索;镜头聚焦远/近、光圈大/小、变倍远/近、防护罩的雨刷、风扇等。

主控计算机和终端解码器的通信是通过RS-485总线进行的，最大传输距离可达1200米在不接中继器时可同时挂接32个解码器，加中继器可扩展到256个。

矩阵切换器具有断电存储的功能，用户对各路输出切换的设置情况都保存在系统中。

每路输出既可设为定点监视方式，也可设为多路循环监视，循环时间在1--255秒间，当有报警时，监视画画自动切换到报警现场进行监视.字符叠加器不但可叠加时间、26个英文字母还可叠加汉字以提示报像机的位置。

它自带一个汉字库，内含1024个汉字，用户可在主控计算机上通过对话框选择汉字，而不必通过控制板面选择，这样可极大地方便用户。

4.1镜头

与摄像机配套的镜头，是实现光电转换、形成图像必不可少的光学部件。

这里简单介绍成像的基本概念，镜头主要技术参数的涵义，以及现有产品的大致类型。

要了解镜头首先要知道光学成像的概念：

光学成像就是通过光学系统把物像映射到传感器的靶面上。

在CCD摄像机中，就是通过镜头把外界的景物成像到CCD的受光面上。

以镜头分界，实体景物所处空间称物空间或物方，传感器CCD靶面一方称像空间或像方。

前面介绍的光学成像的基本概念，读者对于镜头性能涉及的专业名词和术语已有所了解。

下面的主要技术参数，往往是镜头产品说明书上必定会列出的项目。

4.1.1成像尺寸

镜头成像的尺寸规格，指的是该镜头在像面成像的大小，设置在像面位置的CCD（或其他光电传感器），其芯片尺寸最好是与其匹配如图表列出了镜头规格与CCD芯片相应规格的尺寸。

有时不得已也可用大规格的镜头与较小规格的CCD芯片尺寸配套使用。

此时镜头成像的视场角将比它的标称值小。

但成像尺寸规格小的镜头，不能用于CCD芯片尺寸大的摄像机，这样将使电视画面四角像质很差，乃至出现黑角，因为镜头太小时，不能完全覆盖CCD芯片的全部有效像素。

4.1.2焦距

焦距就是主点到焦点的距离。

有物方焦距f与像方焦距f′,在摄像镜头中，物、像空间都是处于相同介质（空气）中，f=f′,镜头的焦距即指|f|（或f´）值。

它与景深、分辨都有关。

对于使用者来说，更重要的是由它决定景物在画面中的大小。

对于一个特定距离的目标，可能要求全景图像，看清整个的环境；也可能只需观察其局部的景物，甚至只关心人像的面部细节，这就取决于所用镜头的焦距。

对同一距离的物体，用f大的镜头，摄得的电视图像就大，用f小的镜头，物体的图像就小。

在已知CCD靶面尺寸h×v、镜头焦距f的情况下，对于一定距离D，可以用下式估算能够看到的场景的水平尺寸H和垂直尺寸V。

4.1.3视场角

视场角即镜头视野的张角。

水平方向的称为水平视场角hα，垂直方向的称为垂直视场角vα。

由图2可以看出，它们的大小与焦距f及摄像机CCD的水平尺寸h和垂直尺寸v。

图2不同焦距的视场角

表1列出的是Computar生产的各种镜头的视场角

在产品说明书中给出的视场角，是镜头成像尺寸与传感器像面尺寸匹配时的值。

若用于小规格的芯片，则视场角相应缩小。

各厂家不同型号的镜头，虽然镜头成像规格和焦距相同，其视场角也会小有差别，这是由于其内部结构和各种光阑的位置、大小不尽相同所致。

表1列出的是Computar生产的各种镜头的视场角。

表1Computar镜头视场角

4.1.4镜头安装接口

镜头总是被固定在标准的镜座上，镜座包围着传感器CCD，镜头与CCD受光面保持着一定的距离，使得镜头的像面与其一致，以使镜头对焦微调后成像最清晰。

有几种标准的安装接口：

C接口、CS接口和S接口。

C、CS安装尺寸见图。

一般C接口的镜头，常配有一个适用于CS接口的5㎜接圈，可通用于C和CS安装接口的摄像机。

现在的摄像机通常是CS接口。

用CS接口的镜头配C接口的摄像机是不行的，此时镜头成像面离CCD受光面太远，不可能得到聚焦的图像，表2为镜头安装借口规格。

表2三种镜头安装接口规格

4.1.5镜头的类型

镜头的主要参数有不同组合，使得镜头的类型变化很多。

除了按成像尺寸和接口型式做成各种性能参数的镜头外，主要是由光圈、焦距的不同型式组合派生出各种类型的镜头。

根据日本CBC有限公司的Computar镜头产品手册，可以将各种镜头分类，如图2所示。

图2镜头性能组合分类示意图

4.1.6镜头的选用

读者在掌握了镜头性能的常识之后，可结合使用要求比较选择适用的镜头。

性能越完善，结构越复杂，售价就越高。

单只镜头的价格有可能相差几倍甚至几十倍。

因此要考虑性能/价格比，合理选用。

在本论文中镜头受电机控制共有6个（3组对应）动作，开启相应的电机和转向如表3所示：

表3镜头控制的6个动作及对应的电机开启、旋转

4.2防护罩

防护罩在构造原理上并无特殊之处，特别是一般安防系统中摄像机所用防护罩，只是在构成上，随使用场所的环境条件而有所不同。

图3是各种防护罩的类型：

图3各种防护罩的类型

几类防护罩图片见各种防护罩的实物图片：

图4各种防护罩的实物图片

4.3云台

放在防护罩内的镜头摄像机组，可以固定安装在支架（托架）上，对空间某一方向的视场内的目标摄取图像。

这种固定架上的安装方式，显然有其局限性，它受到镜头视场角的限制。

任何短焦距的镜头，水平和垂直视场角都达不到±90°。

而远摄用长焦镜头，其视场角则更小。

为了扩大观察范围，将摄像机有限的视场空间角的指向改变，可以对空间扫描，是最便于实现的解决办法。

这种安装摄像机（护罩）在它的平台上，而平台带着摄像机可以作水平360°旋转，垂直（俯仰）作小于±90°运动的装置，就是电视监控系统中所说的云台。

根据云台的基本功能，很明显它是一种机械电气产品。

云台靠电动机驱动，而它在水平方位与垂直俯仰两个轴向的转动需要有传动和减速机构，一般采用齿轮和/或涡轮减速结构。

考虑到不同的摄像机-镜头-防护罩总成的尺寸、重量、安装位置，云台的机械结构设计，要在承重、转动性能（包括启动、停止、运动噪声）、外观造型上力求完善。

以下是云台的主要技术参数。

1、输入电压

输入电压大多为交流24V，在欧美有交流115V的，在我国则有交流220V的云台可供选用。

2、输入功率（电流）

此项涉及电源的供电能力。

交流220V电源供电一般不成问题，交流24V电源则一定要确认可以输出供给所要求的功率（电流）。

3、负重能力

必须使加到云台上的摄像机整体（含镜头、防护罩等）的重量不超过规定，否则水平旋转可能达不到额定速度，而垂直方向可能根本就无法扫描或是不能保持镜头处于水平而下垂。

4、转角限制

因结构限制，有的云台不能全方位360°转动。

在俯仰转动时，由于

防护罩的长度限制，也远小于±90°。

5、水平转速

在电视监控系统中，跟踪快速运动目标时，必须考虑云台的水平转速，特别是在近距离范围内作横向快速运动的目标，云台必须以高速转动才能保持对目标的连续跟踪。

在这种情况下，就需要选择所谓“高速云台”，这种云台的水平予置转速可以达到250°/秒左右，而一般云台是0°/s～60°/s。

6、限位、定位功能

7、外形及安装尺寸、重量。

8、环境适应性能。

图5为云台按性能分类图示：

云台镜头控制系统的功能可分为两大类：

动作控制和状态（开关）控制。

对于俯仰、左右摆动、聚焦、变倍等控制，可视为动作控制，即大多数时候云台（包括镜头）是静止的，仅在需要调整摄像头视野的时候才让云台和镜头做相应的动作。

图5云台按性能组合分类

云台可进行8个（4组对应）方向的运行，每个方向对应相应的电机

开启、旋转如表4所示：

表4云台运动的8个方向及对应的电机开启、旋转

4.4解码器

解码控制器是CCTV系统中用于控制云台、镜头、摄像机、聚光灯、护罩等前端设备的单片机控制系统，其中：

配备了云台俯仰、镜头控制、AC24V、AC220V输出、开关量输出等端子，可根据工程具体需要选配输出端。

摄象机（包括镜头）由控制器和解码器来控制，解码器由于功能不同而种类很多，但都是接收矩阵主机传来的信号后去遥控云台，镜头和辅助设备的动作。

解码器与矩阵主机之间连接方式有2种C（同轴控制）、D（对绞线控制）两种，既RS485方式，最远可达3KM，这种方式可用于光线和微波。

模拟部分提供了RS-485的通信接口,这是与解码器的接口,它具有通信速度高,抗干扰能力强的特点。

通信板上设有硬件发送和接收缓冲区可以保证通信线路上数据的可靠性,不会因为拥挤而丢失数据.高速的通信速度,合理的缓冲区结构及高效率的编码方式,使得单一一条总线上可以并入多个系统,而不至于通信线路显得过分拥挤。

由于总线上只限于控制指令的传输，所以对线路的要求不高。

因此,采用这种简便易行的串行总线结构是最为现实可行的方法。

视频切换矩阵内带一个转换卡，它将RS-485转换为RS-232，从而为计算机进一步通过切换矩阵控制解码器创造条件。

4.5视频矩阵切换器

4.5.1视频矩阵简介

视音频矩阵切换器是监控系统中的必不可少的组成设备。

它可使多路监视器共享多路视频输人信号。

由于在多路摄像机组成的监控系统中，不可能、也没必要用摄像机数量一样的监视器一一对应显示各路摄像机的图像信号，一般都是按一定的比例用一台监视器轮流切换显示几台摄像机的图像信号。

本文设计的视音频矩阵切换器除了用在监控系统中，还可作为一个单独的应用于电视台演播中心、交通指挥中心等处。

本文的矩阵切换器是利用单片机8031和MITEL公司的MT8816模拟矩阵开关设计的可编程视音同步切换器。

它的主要性能技术指标如下:

32路视、音频输人，16路视音频输出各路视频信号之间的隔离度达45dB，音频信号之间的隔离度达85dB信号带宽达45MHz，输人视频信号幅度1VP-P,输出视频信号幅度1VP-P视频输人、输出阻抗均为75Q，通信波特率为9600bps，提供4个RS-232接口，一个和主控计算机相连，一个与字符叠加器相连，另两个和分控计算机相连。

主控机和分控机的所有控制集合都通过RS-232串行口传送给切换器，对其进行各种操作，可对各路输出进行设置，具有一个RS-485总线接口，仅用一根双绞线可以挂接多至32个终端解码器。

主控发送的控制解码器的命令经切换器转化为RS485信号再发送给解码器。

矩阵切换器自带控制面板，使用户既可以通过计算机来控制，也可以用面板完成对切换器的控制。

视音频矩阵切换器的设计通常要采用集成模拟开关。

集成模拟开关按其功能和特点不同可分为以下三类：

1、模拟多路开关常用的模拟多路开关有CD4051（8选1）,CD4067（16选1）。

这些开关能传输信号带宽为20MHz，超过了6MHz的视频信号带宽。

当电源电压为12V时，其导通电阻在100。

左右，只要后级电路输人阻抗高，对信号衰减极小。

每个开关的漏电流约为10A，不会对信号信噪比有大的影响公司。

2、模拟开关阵列模拟开关阵列电路由地址译码器、控制锁存器、交叉点开关阵列组成。

如MITEL公司的MT8808（8X8）,MT8812（8X12）,M丁8816（8X16）,MOTOROLA公司的MC142100（4X4）,RCA公司的CD22100（4X4）。

其中MT8816原是为程控交换机进行空分交换而研制的16X8交叉点矩阵开关，其导通电阻最大为65欧姆，导通时能传输的信号的3dB带宽为45MHz，路间串扰抑制能力在1OMHz时仍有45dB，在10KHz时为85dB,输入输出电容是20pF，开关传输延时是30ns，每个开关的漏电流为1nA.MT8816的这些特性完全适合作视音频切换器用除了MITEL,公司外，还有MAXIM公司生产的交叉点矩阵开MAX456（8X8）和MAX454oMAX456的每个输出端与8个内部能驱动400。

和20pF负载到11.3v单位增益稳定的高速缓冲器相连。

如果驱动75。

负载，只需在MAX456输出端直接接两个MAX456的视频输人线和视频输出线分列在芯片的两边，且视线引脚都由电源线或数字逻辑线引脚隔开，使视频信号在空间上有一定的隔离，为印刷板的设计带来很大的方便，减少因印刷板不当引起的串扰。

3、开关断开时的漏电流Iar。

由于集成电路内部提供偏置的恒流源的影响，在开关断开时在输人和输出端还存着一些电流。

一般单个开关的漏电流在零点几个微安的数量级。

但当n个开关输出并接时，总有漏电流。

五、系统设计方案

5.1电视监控系统组成

闭路电视监控系统根据其使用环境、使用部门和系统的功能的不同而具有不同的组成

方式，无论系统规模有多大、功能有多少，摄像部分、传输部分、控制部分、图像显示部

分是其基本组成。

组成图如图6所示。

图6闭路电视监控组成

（1）摄像部分

摄像部分相当于是人的眼睛，把系统所监视的光、声信号变成电信号，送入监控系统的传输分配部分进行传送到矩阵或者硬盘录像机。

电视摄像机是摄像部分的核心部件，它是光电信号转换的主体设备，是整个监控系统的窗口。

红外、低照度、高清晰、针孔型的摄像机的种类很多，根据不同的系统、环境条件及使用目的，应选择最适合、效果最好的摄像机以及镜头、滤色片等。

（2）传输分配部分

传输部分接收来自摄像部分的视频信号或者音频信号。

将接收的信号馈送到中心机房

或其他监视点。

监控系统的传输分配一般采用以视频信号本身的所谓基带传输，在有些情

况，视频监控系统也采用载波传送或脉冲编码调制传送。

对于远距离传输，保证信号不失

真，以光缆为传输介质的系统应用也越来越多。

传输分配部分主要有：

1）馈线。

同轴电缆（以及多芯电缆）、平衡式电缆、光缆线。

2）视频分配器。

将一路视频信号分配为多路输出信号，供多台监视器监视同一目标，

或者用于将一路图像信号向多个系统接力传送。

包括音频信号的视频分配器又称视频音频

分配器或称视音分配器。

3）视频电缆补偿器。

远距离传输视频信号等，往往存在视频信号损耗等情况，尽量减

少视频信号损耗，采用视频电缆补偿器，进行远距离信号补偿。

补偿放大，以保证信号的长距离传输而不影响图像质量。

（3）控制部分

在中心机房能够控制带云台摄像机上、下、左、右、聚焦、变倍等控制功能，都是控制部分起到的作用。

控制部分的主要设备有：

1）集中控制器。

一般装在中心机房、调度室或某些监视点上。

使用控制器再配合一些辅助设备，可以对摄像机工作状态，如电源的接通、关断，摄像机的水平旋转、垂直俯仰、远距离广角变焦等进行遥控。

一台遥控器按其型号不同能够控制摄像机的数量也不同，一般为１～６台。

2）云台控制器。

它与云台配合使用，其作用是在集中控制器输出的控制电压作用下，给云台交流供电,使云台内置电动机转动，可以完成上、下、左、右、聚焦、变倍等动作。

（4）图像处理与显示部分

显示部分则是将被摄物场景实时显示或重现，通过监视器监控画面,通过录像机进行画面存储。

摄像机信号重现是要通过监视器来操作的。

系统需要画面重现，一般需配备录像机，如果是带音频的监控系统，还需配备录音机功能。

在大型的保安系统中，录像系统还应具

备如下功能：

1）实时监视场景时，可根据需要，定时、定点记录监视目标的图像或数据，以便定期

内或存档[34]。

2）当有报警信号输入，能根据之前设定的要求，自动启动录像机，准确无误地录制事

故情况。

一般监控都是不带音频效果的监控系统，如设有伴音系统时应能同时启动。

3）系统应能手动选择某个指定的摄像区间，以便进行重点监视或在某个范围内几个摄

像区作自动巡回显示。

4）录像系统既可快录慢放或慢录快放，也可使一帧画面长期静止显示，以便分析及查

询。

六、系统硬件设计

6.1系统总体设计

本大厦是一座按五星级标准建设的集宾馆和办公楼于一体的综合办公楼，按要求整系统的视频输入（监视点）为96个，视频输出为16个。

为此采用美国AD公司的AD2052R96-16

型主机，该主机为一个机箱构成，输入和输出采用模块式，每块视频输入模块为16路视频输入，每块视频输出为4路视频输出，最大扩充容量可达512路输入、32路输出，因此适于大型系统使用。

而且集成度高，机箱数量少，且价格也比AD1650便宜，功能反而虐有增加，由于该大厦装饰豪华，顾在比较瞩目的位置安装美观的一体化快速球型摄像机，固定的摄像机也采用半球形的护罩或斜坡式的护罩。

系统图见附录一

由于AD2052主机没有AD控制码接口，按控制信号必须通过高速数据线连接AD2091控制码分配器。

它可把主机CPU的控制信号变换成AD接受器采用的控制码（曼彻斯特码），最多可提供64个独立的缓冲控制码输出，芬4组，每组16个，每组可控制64个摄像机现场。

多台设备联级，最多可控制1024个摄像机现场，每个输出可用电缆传送1500米。

由于系统需要防盗报警联动，故配置AD2096报警输入接口设备和AD2032报警输出相应器。

AD2096有64个接触回路，能把报警输入转换成报警信号编码，供AD矩阵切换控制主机使用。

主机经编程后，能自动报警摄像机切换到指定的监视上，起动预置功能及辅助功能，对报警触点作出响应。

该机通过RS232通信接口与主机连接。

AD2032能提供32个可编址A型继电器（双极、单掷、常开触点），分成两组，每组16个，为矩阵系通提供外部设备继电器触点控制回路。

每组继电器可编程，对两组分开的监视器做出响应。

继电器可起动录像机、报警器或其他的报警装置。

AD2032与AD2052主机通过高速数据线连接，与AD1650主机则通过AD控制码连接使用。

系统还配置2台黑白双工的16画面处理器AD1480-16。

该机可在一台录像机上记录多达16路视频信号，可用两台录像机同时录像或回放，图像显示方式有：

全屏幕、4画面、9画面或16画面等。

七、设计中的问题及解决方法

怎么将系统设计成为一个全面、优质、可靠、高性价比的CCTV监控系统，并充分考虑发未来发展的扩容计划，并兼顾电视监控系统设计原则：

实用性和经济性、先进性和成熟性、可靠性与安全性、可扩展性和易维护性，以及设备的选型，这是本设计中遇到的综合难点，为了解决这个问题，我对楼宇大厦监控设备的选型、配置进行了综合质量、性能价格比、器材的兼容性和系统的可靠性的综合考虑，也对所应用场合的干扰源、重要性、美观性和光照度等进行了综合考虑虑遵循相关的国际标准、行业标准，最大限度的容纳相关技术、兼容设备。

具体如下：

为保证前端图像采样质量及技术要求，真实反映现场情况，我们设计监控点全部采用高解析度彩色摄像机、彩色智能高速球摄像机和彩色半球摄像机。

为此，经过筛选，我们最终选用盛誉全球的美国英飞拓有限公司品牌系统设备。

八、设计心得

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电视监控有关知识，回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

九、参考文献

[1]《智能建筑设计标准》GB/T50314－2000

[2]《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》GB/T50311-2000

[3]《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005版）

[4]《建筑设计防火规范》GBJ16-87（2001版）

[5]《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》GB50067-97

[6]《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-98

[7]《建筑防雷设计规范》GB50067－97（2000版）

[8]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004

[9]《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198-94

[10]《有线电视系统工程技术规范》GB50200-94

十、附录1：

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