(57)【要約】【課題】ＣＤ−ＤＡ１１に１６ビットデータで記録されている音声を、２４ビット対応のＤＳＰ１２及びＤＡＣ１３を用いて再生する場合に、１６ビットから２４ビットへのビット拡張精度を改善して、２４ビット対応ＤＡＣ１３の有効活用及び再生音の高品質化を図る。【解決手段】ＣＤ−ＤＡ１１は、レベルｘが−１≦ｘ＜１である音声を１６ビットデータで記録している。入力端子２０には、ＣＤ−ＤＡ１１からの音声信号から抽出されたｘの１６ビットデータが入力される。上側シフト演算部２１及び下側シフト演算部２２は、ｘ・（１−α）±αを１６ビット演算により算出してから、それを２４ビット演算により２・（１−α）で除算して、商ｙ1，ｙ2の２４ビットデータを求める。加算部２３はｙ1＋ｙ2を２４ビット演算により算出し、それをＤＡＣ１３へ出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号ｘ（ただし、−１≦ｘ＜１）のｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐ（ただし、０＜ｐ＜１）のｍビットデータずつシフトしたシフトｍビットデータを算出するシフト手段、及び
各シフトｍビットデータをｐに係るｎ（ｎ＞ｍ）ビットデータで除算して各商ｎビットデータを求め、各商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを算出するｎビットデータ算出手段、
を備えることを特徴とするビット拡張装置。
【請求項２】
前記除算ｎビットデータは（１−ｐ）のｎビットデータであることを特徴とする請求項１記載のビット拡張装置。
【請求項３】
前記シフト手段は、ｘ・（１−ｐ）のｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐだけシフトすることを特徴とする請求項１又は２記載のビット拡張装置。
【請求項４】
前記入力信号及び前記出力信号はオーディオ信号であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のビット拡張装置。
【請求項５】
入力信号ｘ（ただし、−１≦ｘ＜１）のｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐ（ただし、０＜ｐ＜１）のｍビットデータずつシフトしたシフトｍビットデータを算出するシフトステップ、及び
各シフトｍビットデータをｐに係るｎ（ｎ＞ｍ）ビットデータで除算して各商ｎビットデータを求め、各商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを算出するｎビットデータ算出ステップ、
を備えることを特徴とするビット拡張方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のビット拡張装置の各手段としてコンピュータを機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーディオ装置等に装備されるビット拡張装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、オーディオの記録データに関して、ＣＤ−ＤＡ（Compact Disc Digital Audio）は１６ビットであり、ＤＶＤは１６，２０又は２４ビットであることに対し（特許文献１の図３）、ＣＤ−ＤＡの１６ビットを２０又は２４ビットへビット拡張してＤＶＤに記録すること（特許文献１の図５）を開示する。特許文献１の装置における具体的なビット拡張方式は、入力側の信号パターンを検出し、検出した信号パターンに基づき補間方法を決定し、該決定した補間方法に従って算出した補間信号に係る追加ビットを入力信号の１６ビットのＬＳＢより下に付加するものである（特許文献１の段落０００２及び図２）。
【０００３】
図１１は従来のＣＤ再生装置１００の模式図である。ＣＤ再生装置１００において、本発明の後述の実施の形態のＣＤ再生装置１０の構成と対応する構成については、ＣＤ再生装置１０の構成に付した符号と同一の符号を付して、説明を省略し、主要点についてのみ説明する。
【０００４】
ＣＤ−ＤＡ１１の規格では、音声はサンプリング周波数４４．１ｋＨｚ及び量子化ビット１６ビットで記録されている。また、ＣＤ−ＤＡ１１に記録されている音声データは、−１〜＋１の音声レベルを １６ビットで分割して２の補数で量子化したものである。
【０００５】
音声レベルのアナログ値をｘAnalogとし、それに対応付ける１６ビットデータをｘDigitalとし、小数点の丸目をＲｏｕｎｄとすると、ｘAnalogとｘDigitalとの関係は次の式で表される。
【０００６】
ｘDigital＝Ｒｏｕｎｄ（ｘAnalog・２-１５）
【０００７】
ＣＤ−ＤＡ１１における１６ビットデータに対し、昨今のＣＤ再生装置１００におけるＤＳＰ（Digital Signal Processor）１２及びＤＡＣ（Digital Analog Converter）１３は２４ビット対応が主流となって。したがって、ＣＤ再生装置１００では、ＤＳＰ１２は、ＣＤ−ＤＡ１１の再生信号の１６ビットデータを２４ビットデータへ変換して、ＤＡＣ１３へ出力する。
【０００８】
図１２はＣＤ−ＤＡ１１への録音の元になった本来の値（音声レベル）、ＣＤ−ＤＡ１１における１６ビットデータ、及び該１６ビットデータに対して従来のＣＤ再生装置１００のＤＳＰ１２が割当てた２４ビットデータの対応関係を示している。従来のＣＤ再生装置１００では、ＤＳＰ１２は、ＣＤ−ＤＡ１１からの１６ビットデータに対し、該１６ビットデータのＬＳＢ（Least Significant Bit）の下に”０ｘ００”の８ビットを付け足した２４ビットデータへ変換して、これをＤＡＣ１３へ出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２７２２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の実施の形態に関連して後述する図４における本来の値、１６ビット出力及び２４ビット出力の対応関係から分かるように、図１２の本来の各値に対応付けられる２４ビットデータは、本来の各値に対応付けられる１６ビットデータのＬＳＢの下側に”０ｘ００”の８ビットを付け足した２４ビットデータとは相違しており、従来のＣＤ再生装置１００では、ＤＳＰ１２における１６ビットデータから２４ビットデータへの変換後の値が本来の値とは異なるデータとなってしまう。従来のＣＤ再生装置１００では、ＤＡＣ１３は、このような２４ビットデータをアナログの音声信号へ変換することになるので、スピーカ１４からの音声の品質が低下しているとともに、ＤＡＣ１３の２４ビットデータ対応の機能を十分に活かしていない。
【００１１】
特許文献１における１６から２４ビットへの拡張方式、すなわち入力側の信号パターンを検出し、検出した信号パターンに基づき補間方法を決定し、該決定した補間方法に従って算出した補間信号に係る追加ビットを入力信号のＬＳＢより下に付加する変換方式は、処理が複雑化し、処理時間が増大したり、処理装置の高性能化を必要としたりする。
【００１２】
本発明の目的は、信号パターンの分析や補間計算や入力ソースのビット幅検出を行うことなく、入力信号のｍビットデータに対し、ｍからｎビット（ｍ＜ｎ）への拡張を高精度で行うビット拡張装置、方法及びプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、音声再生信号等に係る拡張前のｍビットデータを±の逆方向へシフト量ｐのｍビットデータだけシフトしたシフトｍビットデータをｍビット演算により得る。両シフトｍビットデータは、ｐに係る除算ｎビットデータでｎビット演算により除算し、商ｎビットデータを得る。両商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを出力信号に含めて出力する。
【００１４】
本発明のビット拡張装置は次の手段を備える。
入力信号ｘ（ただし、−１≦ｘ＜１）のｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐ（ただし、０＜ｐ＜１）のｍビットデータずつシフトしたシフトｍビットデータを算出するシフト手段、及び
各シフトｍビットデータをｐに係るｎ（ｎ＞ｍ）ビットデータで除算して各商ｎビットデータを求め、各商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを算出するｎビットデータ算出手段。
【００１５】
本発明のビット拡張方法は次のステップを備える。
入力信号ｘ（ただし、−１≦ｘ＜１）のｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐ（ただし、０＜ｐ＜１）のｍビットデータずつシフトしたシフトｍビットデータを算出するシフトステップ、及び
各シフトｍビットデータをｐに係るｎ（ｎ＞ｍ）ビットデータで除算して各商ｎビットデータを求め、各商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを算出するｎビットデータ算出ステップ。
【００１６】
本発明のプログラムは本発明のビット拡張装置の各手段としてコンピュータを機能させる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ｎビットへの拡張前のｍビットデータを±逆方向へシフト量ｐのｍビットデータだけシフトしたシフトｍビットデータを得てから、両シフトｍビットデータを、ｐに係る除算ｎビットデータでｎビット演算により除算し、その商ｎビットデータの合計をｎビットデータの出力として利用するので、該ｍビットデータの元である本来の値に対して、そのｍビットデータを生成した際の丸めにより生じた誤差が、両商ｎビットデータの合計との相殺により低減したｎビットデータの出力が生成され、ｍビットデータからｎビットデータへの拡張精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＣＤ再生装置の模式図である。
【図２】ＤＳＰにおいて実施するビット拡張処理のブロック図である。
【図３】図２の各ブロックで使用する計算式を示す。
【図４】ＣＤ−ＤＡへの録音の元になった本来の値、その１６ビット出力、２４ビット出力、実施例の出力、及び誤差の対応関係を示す表である。
【図５】本来の値ｘが振幅１の正弦波で時間変化した場合の実施例出力ｙ、中間値ｙ1，ｙ2及び誤差の変化を示したグラフである。
【図６】１６ビットで表現できない第１の範囲の本来の値に対し図４の項目と同じ項目についてそれらの対応関係を示す表である。
【図７】１６ビットで表現できない第２の範囲の本来の値に対し図４の項目と同じ項目についてそれらの対応関係を示す表である。
【図８】ＤＳＰ及びＤＡＣが３２ビット対応である場合を想定して図４の項目と同じ項目についてそれらの対応関係を示す表である。
【図９】ビット拡張装置のブロック図である。
【図１０】ビット拡張方法のフローチャートである。
【図１１】従来のＣＤ再生装置の模式図である。
【図１２】ＣＤ−ＤＡへの録音の元になった本来の値、ＣＤ−ＤＡにおける１６ビットデータ、及び該１６ビットデータに対して従来のＣＤ再生装置のＤＳＰが割当てた２４ビットデータの対応関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１において、ＣＤ再生装置１０は、ＣＤ−ＤＡ１１を装填されるＣＤドライブ（図示せず）を備えるとともに、ＤＳＰ１２、ＤＡＣ１３及びスピーカ１４を備えている。ＣＤ−ＤＡ１１には、音声のアナログレベルｘが−１≦ｘ＜＋１の範囲となっている音声信号が１６ビットで量子化されて記録されている。ＤＳＰ１２は、ＣＤ−ＤＡ１１の楽曲の再生期間、ＣＤドライブより入力される音声信号から１６ビットの音声データを抽出する。この１６ビットの音声データは、２の補数表現となっている。
【００２０】
ＤＳＰ１２は、２４ビット処理に対応しており、ＣＤ−ＤＡ１１から入力した音声の１６ビットデータを後述する所定の変換式に基づき２４ビットデータへ変換する。該変換式を簡単に説明すると、入力１６ビットデータからｙ1，ｙ2の２４ビットデータを算出し、さらに、２４ビットデータの（ｙ1＋ｙ2）／２をｙとして算出するものである。
【００２１】
ＤＡＣ１３は、２４ビットのデジタル／アナログ変換に対応しており、ＤＳＰ１２からのｙに係る２４ビットデータをアナログの音声信号へ変換する。ＤＡＣ１３が出力したアナログ音声信号は、図示しないオーディオアンプを経てスピーカ１４へ送られて、対応の音量の再生音へ変換されて、スピーカ１４から出力される。
【００２２】
図２はＤＳＰ１２において実施するビット拡張処理のブロック図である。図３は図２の各ブロックで使用する計算式（１）〜（３）を示している。該計算式（１）〜（３）はＤＳＰ１２における１６から２４ビットへの変換式を構成する。なお、図２の上側シフト演算部２１及び下側シフト演算部２２の（１−α）は、図３の｛−（α−１）｝を、符号を整理して示したものであり、｛−（α−１）｝とは同一である。
【００２３】
入力端子２０には、ＣＤ−ＤＡ１１からｘの１６ビットデータが供給される。上側シフト演算部２１及び下側シフト演算部２２では、それぞれ計算式（１）及び（２）に基づく演算が行われる。計算式（１）及び（２）の右辺における分子：ｘ・（１−α）±α内の演算はすべて１６ビットで行われ、分母：（１−α）内の演算はすべて２４ビットで行われ、分子／分母の除算は２４ビットで行われる。
【００２４】
上側シフト演算部２１及び下側シフト演算部２２の分子：ｘ・（１−α）±αは、ｘと（１−α）との積をそれぞれ上及び下へ、すなわち＋方向及び−方向へα、シフトすることを意味する。ｘに（１−α）を掛けた理由は、上又は下へαずつシフトすることにより分子が１を上回ったり−１を下回ったりすることを回避するためである。すなわち、−１≦ｘ＜＋１に対し、−１≦ｘ・（１−α）±α＜＋１とするためである。
【００２５】
加算部２３では、計算式（３）ｙ＝（ｙ1＋ｙ2）／２の演算が２４ビットで行われる。ｙの２４ビットデータは、出力端子２４を介して次段の２４ビット対応のＤＡＣ１３へ出力されて、ＤＡＣ１３においてアナログの音声信号へ変換される。ｙ1，ｙ2の計算順序としては、分子、分母を計算してから、分子／分母を計算する代わりに、１６ビット演算により分子を計算し、２４ビット演算により分子を２で除算し、その商を２４ビット演算により（１−α）で除算して、ｙ1，ｙ2を計算することもできる。
【００２６】
ｘについてビット丸めにより生じた１６ビットデータのＬＳＢより下の８ビットにおける誤差が、ｙ1の＋αとｙ2の−αとの和により相殺される結果、従来のＣＤ再生装置１００（図１１）における１６ビットデータの下に”０ｘ００”の８ビットを付加して２４ビットデータを生成する仕方に比べて、変換後の誤差を減少させることができる。
【００２７】
図４はＣＤ−ＤＡ１１への録音の元になった本来の値（音声レベル。ｘに相当。）、その１６ビット出力（本来の各値に対応する１６ビットデータ）、２４ビット出力（本来の各値に対応する２４ビットデータ）、実施例の出力（ＣＤ再生装置１０のＤＳＰ１２の出力）、及び誤差（＝実施例の出力−２４ビット出力）の対応関係を示している。なお、実施例の出力はα＝０ｘ０３００にして計算したものとなっている。従来のＣＤ再生装置１００（図１１）のＤＳＰ１２では、本来の値に対応する１６ビットデータのＬＳＢの下に８ビットの”０”を付け足しているだけであるので、ＣＤ再生装置１００のＤＳＰ１２における誤差（＝２４ビット出力−１６ビット出力）となり、実施例の誤差は従来の誤差よりも改善される。
【００２８】
図３の計算式に本来の値＝０．７、α＝０ｘ０３００００を適用して、各中間値の具体的な値を説明する。１６ビットに丸められたｘは、０ｘ５９９Ａとなり、０．７０００１２２０７という誤差付きの値としてＣＤ−ＤＡ１１からＤＳＰ１２の入力端子２０へ入力される。また、α＝０ｘ０３００＝０．０２３４３７５である。１６ビットに丸めながら計算すると、下記のようになる。
−(α−１)＝０ｘ７D００＝０．９７６５６２５・・・（４）
ｘ・｛−(α−１)｝＝０．７０００１２２０７×０．９７６５６２５＝０．６８３６０５６７０８９８４３７５≒０ｘ５７８０＝０．６８３６０５６７１・・・（５）
ｘ・｛−(α−１)｝＋α＝０ｘ５７８０＋０ｘ０３００＝０ｘ５Ａ８０＝０．７０７０３１２５・・・（６）
ｘ・｛−(α−１)｝−α＝０ｘ５７８０−０ｘ０３００＝０ｘ５４８０＝０．６６０１５６２５・・・（７）
【００２９】
次に、２４bitで下記の値を計算する。
１／｛２(−(α−１)｝＝０．５１２＝０ｘ４１８９３７・・・（８）
ｙ1＝０．７０７０３１２５×０．５１２＝０．３６２≒０ｘ２Ｅ５６０４・・・（９）
ｙ2＝０．６６０１５６２５×０．５１２＝０．３３８≒０ｘ２Ｂ４３９５・・・（１０）
ｙ＝ｙ1＋ｙ2＝０ｘ２Ｅ５６０４＋０ｘ２Ｂ４３９５＝０ｘ５９９９９９・・・（１１）
【００３０】
本来の入力０．７を２４ビットで表すと、０ｘ５９９９９９となる。図４の対応行で示すように、ＣＤ−ＤＡ１１から入力された０ｘ５９９ＡがＤＳＰ１２により本来の０ｘ５９９９９９に変換されている。ビット丸めによって表現できない部分の誤差を＋αと−αで相殺する形となる。
【００３１】
図５は本来の値ｘが振幅１の正弦波で時間変化した場合の実施例出力ｙ、中間値ｙ1，ｙ2及び誤差（＝図４の誤差）の変化を示したグラフである。ｘは破線で表しているが、ｙとほぼ重なっているため、図５ではｙにより隠されてしまっている。誤差は、点線で示しており、レベル値＝０に沿って延びている。
【００３２】
図６及び図７は、１６ビットで表現できない第１及び第２の範囲の本来の値に対し図４の項目と同じ項目についてそれらの対応関係を示している。この場合にも、実施例の誤差は従来の誤差よりも十分に改善されることが分かる。
【００３３】
図８はＤＳＰ１２及びＤＡＣ１３が３２ビット対応である場合を想定して図４の項目と同じ項目についてそれらの対応関係を示している。１６ビットデータから３２ビットへ変換する場合には、ｙ1，ｙ2の前述の計算式（１）及び（２）において、分母内の計算及び分子／分母の除算は２４ビット演算の代わりに３２ビット演算で行われる。また、ｙの前述の計算式（３）も３２ビットにより演算される。該表は、α＝０ｘ０３００を採用しており、該表の誤差は、差：実施例の出力−３２ビット出力となっている。本来の値の１６ビットデータのＬＳＢの下に１６ビットの”０”を付け足す場合よりも、実施例の誤差は、図４の１６から２４ビットへの拡張も場合と同様な理由により改善される。
【００３４】
図９はビット拡張装置４０のブロック図である。ビット拡張装置４０の具体例は、前述のＣＤ再生装置１０のＤＳＰ１２である。ビット拡張装置４０は、ＣＤ−ＤＡ１１の１６ビットデータの記録音を１６ビットより長いビット対応のＤＡＣ１３等により処理してスピーカ１４から再生音を出力する場合だけでなく、１６ビットより長いビット対応の記録フォーマットでＤＶＤ等の記録媒体に記録する場合にも適用することができる。
【００３５】
ビット拡張装置４０は、抽出手段４１、シフト手段４２、ｎビットデータ算出手段４３及び出力手段４４を備える。抽出手段４１は、入力信号からｘ（ただし、−１≦ｘ＜１）のｍビットデータを抽出する。シフト手段４２は、ｘのｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐ（ただし、０＜ｐ＜１）のｍビットデータずつシフトしたシフトｍビットデータを算出する。
【００３６】
ｎビットデータ算出手段４３は、ｎビット演算により各シフトｍビットデータをｐに係る除算ｎビットデータで除算して各商ｎビットデータを求め、各商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを算出する。出力手段４４は、出力ｎビットデータに係る出力信号を出力する。
【００３７】
ビット拡張装置４０の入出力信号は、典型的には、オーディオ信号であるが、オーディオ信号以外の信号、例えばビデオ信号や測定信号であってもよい。ｍは例えば１６であり、ｎは例えば２４（図４）又は３２（図８）である。除算ｎビットデータは、例えば、２・（１−ｐ）のｎビットデータである。拡張前のｍビットデータは、例えばｘを因子としてもつ積のｍビットデータであり、さらに具体的には、ｍビット演算により算出したｘ・（１−ｐ）のｍビットデータである。出力ｎビットデータは、例えば、各商ｎビットデータの合計ｎビットデータを２で除算した商のデータである。
【００３８】
ｐの具体例は、前述の計算式（１）及び（２）におけるαである。ｘのｍビットデータから出力ｎビットデータへ変換する変換式の具体例は前述の計算式（１）〜（３）である。
【００３９】
ビット拡張装置４０では、入力のｍビットデータを±の両方向へ同量ずつシフトしてから、各シフトｍビットデータを除算ｎビットデータで除算して、両商ｎビットデータを合計するので、ｘのｎビットデータに含まれる丸め誤差が、両商ｎビットデータの合計により相殺され、ｍビットデータからｎビットデータへの変換精度を高めることができる。また、入力側の信号パターンを検出したりして、ビット拡張を行う方式に対して、拡張処理が簡単となる。
【００４０】
図１０はビット拡張方法５０のフローチャートである。ビット拡張方法５０はビット拡張装置４０に適用される。Ｓ５１では、入力信号からｘ（ただし、−１≦ｘ＜１）のｍビットデータを抽出する。Ｓ５２では、ｘのｍビットデータの関連ｍビットデータを±方向へそれぞれシフト量ｐ（ただし、０＜ｐ＜１）ずつシフトしたシフトｍビットデータを算出する。
【００４１】
Ｓ５３では、ｎビット演算により各シフトｍビットデータをｐに係る除算ｎビットデータで除算して各商ｎビットデータを求め、各商ｎビットデータの合計に係る出力ｎビットデータを算出する。Ｓ５４では、出力ｎビットデータに係る出力信号を出力する。
【００４２】
Ｓ５１〜Ｓ５４の処理は、ビット拡張装置４０の抽出手段４１〜出力手段４４の機能にそれぞれ対応している。したがって、抽出手段４１〜出力手段４４の機能について述べた具体的態様はＳ５１〜Ｓ５４の処理についての具体的態様としても適用可能である。
【００４３】
本発明を適用したプログラムは、コンピュータをビット拡張装置４０の各手段として機能させる。本発明を適用した別のプログラムは、ビット拡張方法５０の各ステップをコンピュータに実行させる。
【００４４】
本明細書は様々な範囲及びレベルの発明を開示している。それら発明は、本明細書で説明した様々な技術的範囲及び具体的レベルの各装置及び各方法だけでなく、拡張ないし一般化の範囲で、各装置及び各方法から独立の作用、効果を奏する１つ又は複数の要素を抽出したものや、１つ又は複数の要素を拡張ないし一般化の範囲で変更したものや、さらに、各装置間及び各方法間で１つ又は複数の要素の組合せを入れ換えたものを含む。
【符号の説明】
【００４５】
４０：ビット拡張装置、４１：抽出手段、４２：シフト手段、４３：ｎビットデータ算出手段、４４：出力手段、５０：ビット拡張方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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