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Jun 20, 2014
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R语言游戏之旅 贪食蛇入门

R的极客理想系列文章，涵盖了R的思想，使用，工具，创新等的一系列要点，以我个人的学习和体验去诠释R的强大。

R语言作为统计学一门语言，一直在小众领域闪耀着光芒。直到大数据的爆发，R语言变成了一门炙手可热的数据分析的利器。随着越来越多的工程背景的人的加入，R语言的社区在迅速扩大成长。现在已不仅仅是统计领域，教育，银行，电商，互联网….都在使用R语言。

要成为有理想的极客，我们不能停留在语法上，要掌握牢固的数学，概率，统计知识，同时还要有创新精神，把R语言发挥到各个领域。让我们一起动起来吧，开始R的极客理想。

关于作者：

  • 张丹(Conan), 程序员Java,R,PHP,Javascript
  • weibo：@Conan_Z
  • blog: http://blog.fens.me
  • email: bsspirit@gmail.com

转载请注明出处：
http://blog.fens.me/r-game-snake/

snake-title

前言

用R语言进行统计分析不神奇，用R语言做分类算法不神奇，用R语言做可视也不神奇，你见过用R语言做的游戏吗？

本文将带你进入R语言的游戏开发，用R语言实现贪食蛇游戏。

目录

  1. 贪食蛇游戏介绍
  2. 场景设计
  3. 程序设计
  4. R语言实现

1. 贪食蛇游戏介绍

贪食蛇是一个产生于1970年代中后期的计算机游戏。此类游戏在1990年代由于一些小屏幕设备引入而再度流行起來，在现在的手机上基本都可安装此小游戏。

在游戏中，玩家操控一条细长的直线蛇，它会不停前进，玩家只能操控蛇的头部朝向（上下左右），一路拾起触碰到之物(水果)，并要避免触碰到自身或者其他障碍物。每次贪食蛇吃掉一件食物，它的身体便增长一些。吃掉一些食物后会使蛇的移動速度逐漸加快，让游戏的难度渐渐变大。游戏设置分为四面都有墙，并且不可以穿越，蛇头碰到墙或障碍物时，游戏结束。以游戏过程吃到的水果，得分。 贪食蛇游戏，在各种设备上都有实现，已经有很多种版本。

snake0

2. 场景设计

要开发这款游戏，我们应该如何动手呢？首先，我们需要从软件开发的角度，对这款游戏进行需求分析，列出游戏的规则，并设计业务流程，给出游戏的原型，验证是否可行。

2.1 需求分析

贪食蛇游戏，应该有3个场景：开机场景，游戏场景，结束场景。

  • 开机场景：运行程序，在游戏前，给用户做准备，并提示如何操作游戏。
  • 游戏场景：游戏运行中的场景。
  • 结束场景：当用户胜利、失败或退出时的场景，并提示用户在游戏中的得分。

开机场景和结束场景比较简单，不再解释。游戏场景，包括一块画布，一条蛇，一个蛇头和一个不定长的蛇尾，一个水果，边界和障碍物。

2.2 游戏规则

游戏进行时的规则：

  • 1. 开始游戏后，用户可以通过上(up)下(down)左(left)右(right)键，来操作蛇头，控制蛇的前进方向，还可以按q键直接游戏失败，其他的键盘操作无效。
  • 2. 蛇头用蓝色标识，蛇尾用灰色标识，水果用红色标识，障碍物用黑色标识。
  • 3. 当蛇头移动到水果的位置后，表示蛇吃到了水果，蛇尾的长度加1。水果会在下一次蛇头移动后，在空路径上自动生成。
  • 4. 游戏画布的外围是枪，当蛇头移动到画布看不到的位置，则表示蛇头撞到枪，游戏失败。
  • 5. 游戏画面中，有一些黑色障碍物，当蛇头碰到障碍，游戏失败。
  • 6. 当蛇头碰到蛇尾时，游戏失败。

2.3 业务流程

场景切换的流程：

  • 打开程序时，用户首先看到开机场景，按任意键后进入游戏场景。
  • 在游戏场景，当游戏失败，进入结束场景；按q键，则直接游戏失败。
  • 在结束场景，按空格回到开机场景；按q键，则直接能出软件。

snake-process

2.4 游戏原型

我们画出3个场景的界面。左边为开机场景，中间是游戏场景，右边是结束场景。

snake-stage

我们根据游戏原型的图，用程序画出游戏的场景。

3. 程序设计

通过上面的功能需求分析，我们已经非常清楚地了解贪食游戏的各种规则和功能。接下来，我们要把需求分析中的业务语言，通过技术语言重新描述，并考虑非功能需求，以及R语言相关的技术细节。

3.1 游戏场景

我们让每个场景对应于一块画布，及每个场景对应一个内存结构。

  • 开机场景，是静态的，我们可以提前生成好这块画布存储起来，也可以当用户切换时再临时生成，性能开销不大。
  • 游戏场景，是动态的，每进行一次用户的交互行为或按时间刷新时，都需要求重新绘制画布，让游戏场景通过绑定事件来生成画布。由于用户会频繁操作，因此性能开销比较大。
  • 结束场景，是动态的，在结束场景会显示当次游戏的得分，需要在切换时临时生成。

3.2 游戏对象

在游戏进行中，会产生很多的对象，如上文中提到的。这些对象都需要在内存中进行定义，匹配到对应程序语言的数据类型。

画布对象：

  • 画布：用矩阵来描述，画布中每个小方块对应到矩阵中一个数据。
  • 画布大小：画布的长和宽，分别用对应两个数字变量。
  • 画布坐标：用于画布内小格子的定位，从左到右横坐标是1到20，从底到顶纵坐标为1到20。
  • 画布索引：用于画布内小格式的定位，按从左到右，从底到顶的顺序，为1到400。
  • 方格：在画布里最小的单位是方格，按照画面的比例，设置方格的大小。

matrix

蛇对象：

  • 蛇头：用一个向量来描述，只有一个方格。游戏开始时，起点位置为坐标(2,2)，默认蛇头向上移动，用户打开界面显示位置为(2,3)。
  • 蛇尾：用数据框来描述，存储不定长度的坐标向量。游戏开始时，蛇尾长度是0。

水果对象：

  • 水果：用一个向量来描述，只有一个方格。游戏开始时，随机在空格式上，选一个坐标为水果位置。

边界和障碍物：

  • 边界：无内存描述，通过计算判断。当蛇头坐标超过矩阵坐标时，触发边界。
  • 障碍物：用数据框来描述，存储不定长度的坐标向量。

3.3 游戏事件
游戏过程中，会有3种事件，键盘事件、时间事件和碰撞事件。

  • 键盘事件：全局事件，用户通过键盘输入，而触发的事件，比如，上下左右控制蛇的移动方向。
  • 时间事件：全局事件，系统计时以每0.2秒触发一个时间事件，比如，蛇头每0.2秒的移动一格。
  • 碰撞事件：当蛇头移动时，与非空和格式碰撞除法的事情，比如，吃到水果，蛇头撞到蛇尾。

通常情况，上面3种事件分别有3个线程来控制。但由于R语言本身是单线程的设计，而且不支持异步调用，因此我们无法同时实现上面的3个事件监听。取一种折中方案为，全局监听键盘事件，通过键盘事件触发碰撞事件的进行检查。

3.4 游戏控制

在游戏进行中，每个状态我们都需要进行控制的。比如，什么时候生成新的水果，什么时候增加一节尾巴，什么游戏结束等。通过定义控制函数，可以方便我们管理游戏运行中的各种游戏状态。

program

上图中每个方块代表一个R语言函数定义：

  • run():启动程序。
  • keydown():监听键盘事件，锁定线程。
  • stage0():创建开机场景，可视化输出。
  • stage1():创建游戏场景，可视化输出。
  • stage2():创建结束场景，可视化输出。
  • init():打开游戏场景时，初始化游戏变量。
  • furit():判断并生成水果坐标。
  • head():生成蛇头移动坐标。
  • fail():失败查询，判断蛇头是否撞墙或蛇尾，如果失败则跳过画图，进入结束场景。
  • body():生成蛇尾移动坐标。
  • drawTable():绘制游戏背景。
  • drawMatrix():绘制游戏矩阵。

通过程序设计过程，我们就把需求分析中的业务语言描述，变成了程序开发中的技术语言描述。经过完整的设计后，最后就剩下写代码了。

4. R语言实现

用R语言写代码，其实没有几行就可以搞定，按照上面的函数定义，我们把代码像填空一样地写进去就行了。当然，在写代码的过程中，我们需要掌握一些R语言特性，让代码更健壮。

run()函数，启动程序。


run<-function(){
  # 设置全局画布无边
  par(mai=rep(0,4),oma=rep(0,4))

  # 定义全局环境空间，用于封装变量
  e<<-new.env()

  # 启动开机场景
  stage0()
  
  # 注册键盘事件
  getGraphicsEvent(prompt="Snake Game",onKeybd=keydown)
}

上面代码中，通过定义环境空间e来存储变量，可以有效的解决变量名冲突，和变量污染的问题，关于环境空间的介绍，请参考文章：揭开R语言中环境空间的神秘面纱，解密R语言函数的环境空间。

keydown函数，监听键盘事件。


keydown<-function(K){
  print(paste("keydown:",K,",stage:",e$stage));
  
  if(e$stage==0){ #开机画面
    init()
    stage1()
    return(NULL)
  }  
  
  if(e$stage==2){ #结束画面
    if(K=="q") q()
    else if(K==' ') stage0()  
    return(NULL)
  } 
  
  if(e$stage==1){ #游戏中
    if(K == "q") {
      stage2()
    } else {
      if(tolower(K) %in% c("up","down","left","right")){
        e$lastd<-e$dir
        e$dir<-tolower(K)
        stage1()  
      }
    }
  }
  return(NULL)
}

代码中，参数K为键盘输入。通过对当前所在场景，与键盘输入的条件判断，来确定键盘事件的响应。在游戏中，键盘只响应5个键 "up","down","left","right","q"。

stage0():创建开机场景，可视化输出。


# 开机画图
stage0<-function(){
  e$stage<-0
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Snake Game",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Any keyboard to start",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label="Up,Down,Left,Rigth to control direction",cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

stage2():创建结束场景，可视化输出。


# 结束画图
stage2<-function(){
  e$stage<-2
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Game Over",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Space to restart, q to quit.",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label=paste("Congratulations! You have eat",nrow(e$tail),"fruits!"),cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

init():打开游戏场景时，初始化游戏变量。


# 初始化环境变量
init<-function(){
  e<<-new.env()
  e$stage<-0 #场景
  e$width<-e$height<-20  #切分格子
  e$step<-1/e$width #步长
  e$m<-matrix(rep(0,e$width*e$height),nrow=e$width)  #点矩阵
  e$dir<-e$lastd<-'up' # 移动方向
  e$head<-c(2,2) #初始蛇头
  e$lastx<-e$lasty<-2 # 初始化蛇头上一个点
  e$tail<-data.frame(x=c(),y=c())#初始蛇尾
  
  e$col_furit<-2 #水果颜色
  e$col_head<-4 #蛇头颜色
  e$col_tail<-8 #蛇尾颜色
  e$col_path<-0 #路颜色
}

代码中，初始化全局的环境空间e，然后将所有需要的变量，定义在e中。

furit():判断并生成水果坐标。


 # 随机的水果点
  furit<-function(){
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      idx<-sample(index(e$col_path),1)
      
      fx<-ifelse(idx%%e$width==0,10,idx%%e$width)
      fy<-ceiling(idx/e$height)
      e$m[fx,fy]<-e$col_furit
      
      print(paste("furit idx",idx))
      print(paste("furit axis:",fx,fy))
    }
  }

fail():失败查询，判断蛇头是否撞墙或蛇尾，如果失败则跳过画图，进入结束场景。


 # 检查失败
  fail<-function(){
    # head出边界
    if(length(which(e$head<1))>0 | length(which(e$head>e$width))>0){
      print("game over: Out of ledge.")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    # head碰到tail
    if(e$m[e$head[1],e$head[2]]==e$col_tail){
      print("game over: head hit tail")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    return(FALSE)
  }

head():生成蛇头移动坐标。


  # snake head
  head<-function(){
    e$lastx<-e$head[1]
    e$lasty<-e$head[2]
    
    # 方向操作
    if(e$dir=='up') e$head[2]<-e$head[2]+1
    if(e$dir=='down') e$head[2]<-e$head[2]-1
    if(e$dir=='left') e$head[1]<-e$head[1]-1
    if(e$dir=='right') e$head[1]<-e$head[1]+1
    
  }

body():生成蛇尾移动坐标。


  # snake body
  body<-function(){
    e$m[e$lastx,e$lasty]<-0
    e$m[e$head[1],e$head[2]]<-e$col_head #snake
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
    }
    
    if(nrow(e$tail)>0) { #如果有尾巴
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
      e$m[e$tail[1,]$x,e$tail[1,]$y]<-e$col_path
      e$tail<-e$tail[-1,]
      e$m[e$lastx,e$lasty]<-e$col_tail
    }
    
    print(paste("snake idx",index(e$col_head)))
    print(paste("snake axis:",e$head[1],e$head[2]))
  }

drawTable():绘制游戏背景。


 # 画布背景
  drawTable<-function(){
    plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
    
    # 显示背景表格
    abline(h=seq(0,1,e$step),col="gray60") # 水平线
    abline(v=seq(0,1,e$step),col="gray60") # 垂直线
    # 显示矩阵
    df<-data.frame(x=rep(seq(0,0.95,e$step),e$width),y=rep(seq(0,0.95,e$step),each=e$height),lab=seq(1,e$width*e$height))
    text(df$x+e$step/2,df$y+e$step/2,label=df$lab)
  }

drawMatrix():绘制游戏矩阵。


  # 根据矩阵画数据
  drawMatrix<-function(){
    idx<-which(e$m>0)
    px<- (ifelse(idx%%e$width==0,e$width,idx%%e$width)-1)/e$width+e$step/2
    py<- (ceiling(idx/e$height)-1)/e$height+e$step/2
    pxy<-data.frame(x=px,y=py,col=e$m[idx])
    points(pxy$x,pxy$y,col=pxy$col,pch=15,cex=4.4)
  }

stage1():创建游戏场景，stage1()函数内部，封装了游戏场景运行时的函数，并进行调用。


# 游戏中
stage1<-function(){
  e$stage<-1
  furit<-function(){...} //见furit
  fail<-function(){...} //见fail
  head<-function(){...} //见head
  body<-function(){...}//见body
  drawTable<-function(){...} //见drawTable
  drawMatrix<-function(){...} //见drawMatrix

  # 运行函数
  furit()
  head()
  if(!fail()){ #失败检查
    body()
    drawTable()
    drawMatrix()  
  }
}

注：此处代码为伪代码。

最后，是完整的程序代码。


# 初始化环境变量
init<-function(){
  e<<-new.env()
  e$stage<-0 #场景
  e$width<-e$height<-20  #切分格子
  e$step<-1/e$width #步长
  e$m<-matrix(rep(0,e$width*e$height),nrow=e$width)  #点矩阵
  e$dir<-e$lastd<-'up' # 移动方向
  e$head<-c(2,2) #初始蛇头
  e$lastx<-e$lasty<-2 # 初始化蛇头上一个点
  e$tail<-data.frame(x=c(),y=c())#初始蛇尾
  
  e$col_furit<-2 #水果颜色
  e$col_head<-4 #蛇头颜色
  e$col_tail<-8 #蛇尾颜色
  e$col_path<-0 #路颜色
}


# 获得矩阵的索引值
index<-function(col) which(e$m==col)

# 游戏中
stage1<-function(){
  e$stage<-1
  
  # 随机的水果点
  furit<-function(){
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      idx<-sample(index(e$col_path),1)
      
      fx<-ifelse(idx%%e$width==0,10,idx%%e$width)
      fy<-ceiling(idx/e$height)
      e$m[fx,fy]<-e$col_furit
      
      print(paste("furit idx",idx))
      print(paste("furit axis:",fx,fy))
    }
  }
  
  
  # 检查失败
  fail<-function(){
    # head出边界
    if(length(which(e$head<1))>0 | length(which(e$head>e$width))>0){
      print("game over: Out of ledge.")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    # head碰到tail
    if(e$m[e$head[1],e$head[2]]==e$col_tail){
      print("game over: head hit tail")
      keydown('q')
      return(TRUE)
    }
    
    return(FALSE)
  }
  
  
  # snake head
  head<-function(){
    e$lastx<-e$head[1]
    e$lasty<-e$head[2]
    
    # 方向操作
    if(e$dir=='up') e$head[2]<-e$head[2]+1
    if(e$dir=='down') e$head[2]<-e$head[2]-1
    if(e$dir=='left') e$head[1]<-e$head[1]-1
    if(e$dir=='right') e$head[1]<-e$head[1]+1
    
  }
  
  # snake body
  body<-function(){
    e$m[e$lastx,e$lasty]<-0
    e$m[e$head[1],e$head[2]]<-e$col_head #snake
    if(length(index(e$col_furit))<=0){ #不存在水果
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
    }
    
    if(nrow(e$tail)>0) { #如果有尾巴
      e$tail<-rbind(e$tail,data.frame(x=e$lastx,y=e$lasty))
      e$m[e$tail[1,]$x,e$tail[1,]$y]<-e$col_path
      e$tail<-e$tail[-1,]
      e$m[e$lastx,e$lasty]<-e$col_tail
    }
    
    print(paste("snake idx",index(e$col_head)))
    print(paste("snake axis:",e$head[1],e$head[2]))
  }
  
  # 画布背景
  drawTable<-function(){
    plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  }
  
  # 根据矩阵画数据
  drawMatrix<-function(){
    idx<-which(e$m>0)
    px<- (ifelse(idx%%e$width==0,e$width,idx%%e$width)-1)/e$width+e$step/2
    py<- (ceiling(idx/e$height)-1)/e$height+e$step/2
    pxy<-data.frame(x=px,y=py,col=e$m[idx])
    points(pxy$x,pxy$y,col=pxy$col,pch=15,cex=4.4)
  }
  
  furit()
  head()
  if(!fail()){
    body()
    drawTable()
    drawMatrix()  
  }
}


# 开机画图
stage0<-function(){
  e$stage<-0
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Snake Game",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Any keyboard to start",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label="Up,Down,Left,Rigth to control direction",cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

# 结束画图
stage2<-function(){
  e$stage<-2
  plot(0,0,xlim=c(0,1),ylim=c(0,1),type='n',xaxs="i", yaxs="i")
  text(0.5,0.7,label="Game Over",cex=5)
  text(0.5,0.4,label="Space to restart, q to quit.",cex=2,col=4)
  text(0.5,0.3,label=paste("Congratulations! You have eat",nrow(e$tail),"fruits!"),cex=2,col=2)
  text(0.2,0.05,label="Author:DanZhang",cex=1)
  text(0.5,0.05,label="http://blog.fens.me",cex=1)
}

# 键盘事件
keydown<-function(K){
  print(paste("keydown:",K,",stage:",e$stage));
  
  if(e$stage==0){ #开机画面
    init()
    stage1()
    return(NULL)
  }  
  
  if(e$stage==2){ #结束画面
    if(K=="q") q()
    else if(K==' ') stage0()  
    return(NULL)
  } 
  
  if(e$stage==1){ #游戏中
    if(K == "q") {
      stage2()
    } else {
      if(tolower(K) %in% c("up","down","left","right")){
        e$lastd<-e$dir
        e$dir<-tolower(K)
        stage1()  
      }
    }
  }
  return(NULL)
}

#######################################
# RUN  
#######################################  

run<-function(){
  par(mai=rep(0,4),oma=rep(0,4))
  e<<-new.env()
  stage0()
  
  # 注册事件
  getGraphicsEvent(prompt="Snake Game",onKeybd=keydown)
}

run()

游戏截图：

snake

全部代码仅仅190行，有效代码行只有100行左右，我们就实现了贪食蛇游戏。当然，时间事件我们没有实现，只因为R语言本身的单线程机制，而且不支持异步调用。正因为R语言强大的数据处理能力和可视化能力，让我们的程序写起来非常简单。我想如果让R来实现策略类游戏的矩阵部分的计算，一定会非常顺手的。

有了贪食蛇游戏的雏形，再通过面向对象的封装，能不能归纳出一个基于R语言游戏的开发框架呢？下一篇文章将继续R语言游戏之旅，R语言游戏框架设计。

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http://blog.fens.me/r-game-snake/

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acheng99

这是要出书的节奏。。。啥时候出版呢？看了你很多的博客，值得期待哈

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Conan Zhang

呵呵，这么晚都没有睡啊，是不是看球呢！！

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Kelvin Jiang

牛人阿

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Conan Zhang

过奖。

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kelly

试了您的代码显示“图形设备不支持事件处理”，所以mac的R不可以？

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Conan Zhang

目前应该只支持win下运行，Linux有字体的错误，Mac没有测试过。

Win下，可以从github安装这个包。
https://github.com/bsspirit/gridgame

library(devtools)
install_github(“gridgame”,”bsspirit”)
snake() # start snake game.
g2048() # start 2048 game.

0
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Chen Liu

你好，在win下尝试了您的代码，同样显示：

Error in setGraphicsEventEnv(which, as.environment(list(…))) :
this graphics device does not support event handling

请问是什么原因呢？

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Chen Liu

你好，我先前在Rstudio里面运行不支持，但是今天在R里面尝试已经成功了:-），应该是Rstudio的问题。

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Conan Zhang

Rstudio有一个GUI的设置，他重置了grDevices库。

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Conan Zhang

R的3.2.2版本以后，R就就可以了，等Rstudio更新那个配置就行了。

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