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發(fā)布日期:2022-05-11 點(diǎn)擊率:129
2016年左右,虛擬現(xiàn)實(shí)曾掀起過一次行業(yè)熱浪,被業(yè)內(nèi)人士稱為“VR元年”,但受制于技術(shù)的不成熟、應(yīng)用生態(tài)的缺乏等原因,近幾年顯得有些冷淡。隨著自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、虛擬主播等新興領(lǐng)域越來越走近大眾視野,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的迫切性更加凸顯。
我們生活中接觸到最多的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用大概就是VR電影和游戲,這類電影制作花絮中我們一般見到的制作場(chǎng)景是這樣的:
虛擬世界里的人物能夠做到現(xiàn)實(shí)人物動(dòng)作的復(fù)刻主要是基于動(dòng)作捕捉技術(shù)。
近期,來自清華大學(xué)北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心和軟件學(xué)院的徐楓團(tuán)隊(duì),推出了一項(xiàng)慣性動(dòng)作捕捉新技術(shù)。
科學(xué)家介紹
徐楓,清華大學(xué)軟件學(xué)院副教授,國家優(yōu)青,CAAI副秘書長(zhǎng)。主要研究領(lǐng)域包括人工智能、智慧醫(yī)療、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表論文40余篇,獲授權(quán)中國/美國專利10余項(xiàng),獲省部級(jí)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)2項(xiàng),擔(dān)任Pacific Graphics,Symposium on Graphics等國際會(huì)議程序委員會(huì)委員,擔(dān)任CAAI Transactions on Intelligent Technology青年編委等。
我們從研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)視頻中可以看到:
兩人乒乓球?qū)Υ騽?dòng)作流暢的被右下角電腦捕捉到,但并未看到房間內(nèi)有拍攝或其他設(shè)備。
通過視頻中的標(biāo)記才發(fā)現(xiàn),原來兩人身上各自佩戴了6個(gè)小型慣性無線傳感器。
慣性捕捉相較于應(yīng)用較多的光學(xué)捕捉具有便攜、采樣快的特點(diǎn),但通常需要穿戴多達(dá)17個(gè)傳感器組成數(shù)據(jù)服,基本無法在日常生活中使用。這項(xiàng)新的慣性運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù),只運(yùn)用6個(gè)微型慣性運(yùn)動(dòng)傳感器便實(shí)現(xiàn)了動(dòng)作精確捕捉。較少的佩戴設(shè)備既降低了成本,也不會(huì)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生太大的干擾。
目前捕捉技術(shù)里應(yīng)用和發(fā)展最成熟的是光學(xué)捕捉,它是通過對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù),因信號(hào)精度高常應(yīng)用于VR電影、游戲制作等。
然而這類捕捉技術(shù)需要搭建特定的空間,固定多個(gè)相機(jī)拍攝,成本昂貴,對(duì)表演者限制也較大。另外也有只靠相機(jī)無需光點(diǎn)的光學(xué)式捕捉技術(shù),但捕捉精度又會(huì)降低。
慣性運(yùn)動(dòng)捕捉新技術(shù)克服了場(chǎng)地和相機(jī)的限制,無需搭建場(chǎng)地,信號(hào)直接傳入電腦。
腿部動(dòng)作是捕捉中較為困難的部分,如健身環(huán)只能簡(jiǎn)單地檢測(cè)到抬腿,再模擬成游戲中固定的腿部動(dòng)畫,或借用游戲中的交通工具。
新技術(shù)不僅可以捕捉腿部動(dòng)作,還可實(shí)時(shí)捕捉跳躍、蹲爬、跨越障礙甚至躺下打滾,幀數(shù)都是90fps,精確度不受任何影響。
障礙物遮擋也是各類捕捉技術(shù)要解決的難題,一旦有遮擋便無法捕捉到信號(hào)。
新技術(shù)不僅不受環(huán)境障礙物的遮擋影響,對(duì)照明條件也沒有要求,夜間也可以捕捉。
長(zhǎng)距離移動(dòng)也沒有問題。
當(dāng)然除了光學(xué)捕捉、慣性捕捉之外,還存在機(jī)械式捕捉、聲學(xué)捕捉、電磁式捕捉等技術(shù),然而因使用復(fù)雜、技術(shù)不成熟等原因難以實(shí)際應(yīng)用。
慣性運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用領(lǐng)域,荷蘭的Xsens公司處于市場(chǎng)壟斷地位,其核心軟件和硬件技術(shù)緊追創(chuàng)新前沿,然而因壟斷而致使價(jià)格昂貴,與成本價(jià)值過于不匹配,小規(guī)模制作團(tuán)隊(duì)和個(gè)人應(yīng)用難以普及。
慣性動(dòng)作捕捉新技術(shù),可以彌補(bǔ)國內(nèi)市場(chǎng)上的技術(shù)空白,打破獨(dú)家壟斷局面,實(shí)現(xiàn)慣性動(dòng)作捕捉商業(yè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)支持。
這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依靠深度學(xué)習(xí)。
深度學(xué)習(xí)是依靠數(shù)據(jù)進(jìn)行,并原創(chuàng)了雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(biRNN)的技術(shù)方法。運(yùn)動(dòng)具有時(shí)間性,上一秒和下一秒的動(dòng)作不一定相同,但擁有基本的軌跡。該技術(shù)方法不僅可以有效的定位運(yùn)動(dòng)信號(hào),還能測(cè)算運(yùn)動(dòng)函數(shù),實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡,保證動(dòng)作捕捉的流暢。
在具體研究實(shí)驗(yàn)中,團(tuán)隊(duì)收集和采集大量人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù),從中找尋測(cè)量信號(hào)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)之間的關(guān)系。將動(dòng)作捕捉任務(wù)分解為姿態(tài)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)估計(jì)。對(duì)于姿態(tài)估計(jì)任務(wù),研究團(tuán)隊(duì)將其拆分成3個(gè)子任務(wù)。先從慣性數(shù)據(jù)估計(jì)出5個(gè)人體末端關(guān)節(jié)(頭部、手、腳)的位置,再細(xì)化成人體全部23個(gè)關(guān)節(jié)的位置,最后通過反向動(dòng)力學(xué) (IK)求解得到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),即人體姿態(tài)。
只使用當(dāng)前幀的慣性測(cè)量值估計(jì)當(dāng)前的姿態(tài)是一個(gè)非常欠約束的問題,因?yàn)橥唤M慣性測(cè)量值對(duì)應(yīng)著無數(shù)個(gè)可行的人體姿態(tài),所以在這一步需要充分利用人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)序信息以及先驗(yàn)知識(shí)來減少歧義性,因此采用了雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(biRNN)技術(shù)。
運(yùn)動(dòng)估計(jì)則是通過兩個(gè)方法RNN與biRNN融合實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)是通過估計(jì)腳與地面接觸的概率,在支撐腳不能滑動(dòng)的物理約束下,使用姿態(tài)推算人體的運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)使用網(wǎng)絡(luò)直接回歸人體的本地速度,從而算出在世界坐標(biāo)系下的速度。兩個(gè)方法通過線性插值進(jìn)行平滑的融合。
團(tuán)隊(duì)使用大型的合成和真實(shí)公開數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練,包含300名受試者超過40小時(shí)的姿勢(shì)和空間位置的數(shù)據(jù)。
圍繞該技術(shù)形成論文已被計(jì)算機(jī)圖形頂會(huì)SIGGRAPH 2021接受。
研究團(tuán)隊(duì)將該項(xiàng)技術(shù)和現(xiàn)有的硬件技術(shù)結(jié)合驗(yàn)證了其產(chǎn)業(yè)化的可行性,并且因其成本低、使用便捷、方便攜帶等優(yōu)勢(shì),產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用場(chǎng)景廣泛,發(fā)展前景廣闊。
除了熟知的電影、游戲、動(dòng)畫制作使用,還可以應(yīng)用在體育、養(yǎng)老、醫(yī)療、娛樂、教育等多個(gè)領(lǐng)域。
體育:提供相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),以便技術(shù)分析與調(diào)整等。
養(yǎng)老:實(shí)時(shí)獲得老人動(dòng)作信息,規(guī)避了傳統(tǒng)攝像頭可能侵害隱私的風(fēng)險(xiǎn)。
醫(yī)療:該技術(shù)還可以醫(yī)療診斷、姿態(tài)矯正、復(fù)健輔助等方面發(fā)揮重要作用。
另外可用于虛擬主播、遠(yuǎn)程教學(xué)、日常佩戴檢測(cè)、工業(yè)測(cè)量和設(shè)計(jì)、軍事模擬訓(xùn)練等各種需求場(chǎng)景。
隨著技術(shù)產(chǎn)品化的深入,需求場(chǎng)景也會(huì)越來越多,慣性運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的廣泛應(yīng)用指日可待!
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摘要:
虛擬現(xiàn)實(shí)的概念誕生于20世紀(jì)60年代,指借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及傳感器技術(shù)生成三維環(huán)境,創(chuàng)造出一種嶄新的人機(jī)交互方式,通過調(diào)動(dòng)用戶各種感官(視覺,聽覺,觸覺,嗅覺等),來享受更加真實(shí)的,身臨其境的體驗(yàn),主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR).自2010年以來,我院圍繞3D立體顯示,計(jì)算機(jī)圖形,圖像處理等方面開展了大量研究,形成了一定的研究成果.針對(duì)當(dāng)前沉浸感,交互感更強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),我們也進(jìn)行了深入研究,認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化將是推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要手段.
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編者按:傳感器是人類在構(gòu)造模擬現(xiàn)實(shí)世界的虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的關(guān)鍵一環(huán),它為我們提供了感知現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。但是,隨著傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的深度融合,傳感器正在獲得可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和推理的智能。Gideon Rosenblatt 介紹了傳感器的發(fā)展與本質(zhì),讓我們得以窺見傳感器以及智能的未來。原文標(biāo)題是:The Nature of Sensors
傳感器是人類用來增強(qiáng)感知和解釋世界能力的技術(shù)。機(jī)器學(xué)習(xí)的革命正在變革著傳感器,這些傳感器讓我們可以構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)模型,而后者則賦予了我們塑造周圍世界的巨大力量。
這種傳感器技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的融合在地球新興的智能變革中充當(dāng)著關(guān)鍵的一層,因?yàn)閭鞲衅髋c機(jī)器學(xué)習(xí)之間不斷加強(qiáng)的聯(lián)系讓我們能夠增強(qiáng)感官知覺的元素。因此,傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)的融合在人機(jī)智能的融合中扮演著關(guān)鍵的角色。
傳感器是做什么的?
我們不妨先從了解一點(diǎn)傳感器是干什么的基礎(chǔ)知識(shí)開始。傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,也就是說它們將信號(hào)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。這就是傳感器有時(shí)被稱為“轉(zhuǎn)換器(transducer)” 的原因。例如,溫度可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后電信號(hào)又可以轉(zhuǎn)換成在我們廚房使用的數(shù)字溫度計(jì)上的符號(hào)。
傳感器幫助我們解釋我們的物理環(huán)境。從這個(gè)意義上來說,傳感器跟我們的感覺類似。我們的嗅覺已經(jīng)演進(jìn)了數(shù)十億年,能夠檢測(cè)分子結(jié)構(gòu)并將其轉(zhuǎn)化為某些我們會(huì)跟特定氣味(例如過熟的香蕉)關(guān)聯(lián)起來的電化學(xué)信號(hào)。我們的皮膚包含神經(jīng)末梢,可將壓力和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為觸覺,正如我們的眼睛可將光線轉(zhuǎn)換為視覺圖像一樣。通過傳感器,我們利用工具來完成其中一些解釋周圍世界的工作。
感覺與傳感器能力(Sensor-bility)
要想理解傳感器在綜合機(jī)器與人類智能中所扮演的角色,區(qū)分一下實(shí)現(xiàn)感知技術(shù)的兩種手段是有幫助的。一種情況下,實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是增強(qiáng)我們的生物性感覺;另一種情況下,目標(biāo)則是替代之。
望遠(yuǎn)鏡增強(qiáng)我們的眼睛而不是取代之。望遠(yuǎn)鏡增強(qiáng)了光信號(hào)而不是將其轉(zhuǎn)換為另一種類型的信號(hào)。因此,我們能夠用日常同樣的視覺處理生物機(jī)制來理解被放大過的信號(hào)。相反,溫度計(jì)取代了我們皮膚上的熱受體。傳統(tǒng)溫度計(jì)將觸摸的信號(hào)轉(zhuǎn)換為視覺信號(hào),讓我們無需灼燒自己也能看到溫度。
傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)得到了提升,但是模式識(shí)別仍然跟我們視覺處理系統(tǒng)的人體生物學(xué)是一致的。這就是感覺增強(qiáng)。但是在溫度計(jì)這里,信號(hào)不再由我們皮膚神經(jīng)末梢的生物機(jī)制來捕捉了。智能數(shù)字溫度計(jì)不僅僅捕捉信號(hào)而且還通過嵌入在設(shè)備內(nèi)的邏輯——或者模型處理模式識(shí)別過程。它就是這樣將特定層面的分子振動(dòng)解釋為比方說華氏175℉,然后讓你不用去猜雞肉是不是煮熟了。這就是感覺替代。
感覺增強(qiáng)會(huì)收集和增強(qiáng)信號(hào),從而讓我們的生理過程更容易地通過我們自己的大腦對(duì)其進(jìn)行解釋。而感覺替代則是收集信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換——這是真正傳感器的真正標(biāo)志。
從感覺到傳感器的轉(zhuǎn)移
不妨設(shè)想有個(gè)東西,比如一只橡皮鴨。從它身上反射出去的光線被我們的的眼睛收集起來然后通過感覺的處理轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在所謂的感知的模式識(shí)別的過程中這些信號(hào)會(huì)穿過我們大腦的視覺皮層。
而在傳感器這里,這些過程變了。機(jī)器接管了生物感覺來捕獲信號(hào),而在解釋那些信號(hào)時(shí),合成模型則取代了生物感覺來對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
在早期傳感器里面,這種信號(hào)轉(zhuǎn)換仍然相對(duì)粗糙。老式溫度計(jì)會(huì)將水銀的運(yùn)動(dòng)映射為一系列的溫度范圍內(nèi)(分別由Daniel Fahrenheit和Anders Celsius進(jìn)行校準(zhǔn))。你可以把這種校準(zhǔn)過程視為一個(gè)非常簡(jiǎn)單的將水銀柱的伸縮與溫度估算進(jìn)行映射的模型。
但今天的模型看起來已經(jīng)非常不同。過去需要由人克服智力挑戰(zhàn)的工作現(xiàn)在已經(jīng)被機(jī)器自動(dòng)化了。傳感器在構(gòu)建這些新模型并且將其投入使用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)的傳感器
我們是通過機(jī)器學(xué)習(xí)來進(jìn)行自動(dòng)建模的,如果沒有來自當(dāng)今的傳感器的大量數(shù)據(jù)的話,這項(xiàng)工作是不可能完成的。傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)捕捉正在掀起信息時(shí)代背后的數(shù)據(jù)海嘯。
在模型構(gòu)建時(shí),傳感器會(huì)對(duì)來自現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,然后通過迭代反饋過程對(duì)模型進(jìn)行“雕刻”。這個(gè)過程是通過生成初始算法模型,然后利用它來運(yùn)行樣本數(shù)據(jù)并查看模型與數(shù)據(jù)的接近程度來實(shí)現(xiàn)。大家稱之為模型“訓(xùn)練”的過程相當(dāng)于自動(dòng)調(diào)整參數(shù),通過每次的訓(xùn)練迭代,使得模型更接近樣本數(shù)據(jù)的實(shí)際情況。
傳感器技術(shù)的新常態(tài)與機(jī)器學(xué)習(xí)密不可分。傳感器仍然要捕捉數(shù)據(jù),但現(xiàn)在的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程已經(jīng)演變?yōu)槟P蜆?gòu)建。原始信號(hào)就是原始數(shù)據(jù),但是通過機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程,該信號(hào)被轉(zhuǎn)換成該數(shù)據(jù)中所代表的現(xiàn)實(shí)的算法表示。從某種意義上說,這是傳感器一直都做的事情。溫度計(jì)的校準(zhǔn)其實(shí)就是將水銀的分子振動(dòng)轉(zhuǎn)換為代表現(xiàn)實(shí)溫度變量的模型。而利用當(dāng)今的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,這種信號(hào)轉(zhuǎn)換能夠表現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)已經(jīng)變得復(fù)雜得多了。
人類利用由機(jī)器學(xué)習(xí)支持的傳感器拍攝的第一幅黑洞照片
應(yīng)用機(jī)器智能的傳感器
我們已經(jīng)了解了傳感器是如何提供數(shù)據(jù)讓機(jī)器學(xué)習(xí)可以訓(xùn)練模型的,接下來我們?cè)倏纯丛谧屵@些模型工作方面?zhèn)鞲衅靼l(fā)揮了什么樣的作用。這個(gè)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的過程通常被稱為推理,而推理也對(duì)傳感器數(shù)據(jù)也非常依賴。
推理就是通過證據(jù)和論證得出想法或結(jié)論的過程
推理需要從環(huán)境中提取新數(shù)據(jù),并將其提供給通過早期訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成的模型。機(jī)器學(xué)習(xí)模型就是這么部署到實(shí)際應(yīng)用中的。機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序從受過訓(xùn)練的模型開始,然后利用該模型來理解新數(shù)據(jù)。在此,模型充當(dāng)了某種算法推理的作用,而新數(shù)據(jù)就充當(dāng)證據(jù)。應(yīng)用程序應(yīng)用該模型的推理,從而將新證據(jù)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為某種結(jié)論。
為了解釋得更具體一點(diǎn),我們來舉一個(gè)實(shí)際的例子。Google擁有強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,因?yàn)檫@些模型已經(jīng)過了大規(guī)模圖像集的訓(xùn)練。這讓我可以利用這些模型來進(jìn)行推理。我可以將手機(jī)的攝像頭對(duì)準(zhǔn)一個(gè)咖啡杯,然后它不僅可以正確地推斷出我面前的咖啡杯,能說出這是甲殼蟲樂隊(duì)的黃色潛水艇的圖片。簡(jiǎn)而言之,我的手機(jī)中的攝像頭傳感器捕捉了光的信號(hào),而Google的機(jī)器視覺模型接著將之轉(zhuǎn)換成一種新型的信號(hào)——人類語言。
我們今天看到的是傳感器在轉(zhuǎn)換信號(hào)中所發(fā)揮的轉(zhuǎn)換作用越來越依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)。比方說,如今相機(jī)市場(chǎng)的創(chuàng)新已經(jīng)越來越不是光學(xué)上的進(jìn)展,而是與機(jī)器學(xué)習(xí)模型方面的進(jìn)步越來越相關(guān)。事實(shí)上,我們的手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)部署了很多傳感器,多到開始發(fā)揮著像Spock的三錄儀(《星際迷航》里面的tricorder,具備感知、計(jì)算、記錄三種用途)那樣的作用。
傳感器、模型以及智能的未來
簡(jiǎn)而言之,傳感器為訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供數(shù)據(jù),然后應(yīng)用了這些模型。它們讓我們從世界中捕捉數(shù)據(jù)并將其置入該物理現(xiàn)實(shí)的虛擬表示里。事實(shí)上,思考我們現(xiàn)在使用傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型可以有一種方式,那就是它們正在為一個(gè)宏大的、新的,多維度的虛擬現(xiàn)實(shí)做出貢獻(xiàn)。簡(jiǎn)而言之,傳感器正在幫助人類將物理現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)。
就像機(jī)器學(xué)習(xí)接管了所謂的知覺的大腦的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能一樣,傳感器承擔(dān)了我們感覺器官的數(shù)據(jù)捕捉功能。那些簡(jiǎn)單模型,比如早期溫度計(jì)中所嵌入的那種,仍然需要我們的解釋來回答這樣的問題:“這只雞要加熱到多高的溫度我才可以吃?”而當(dāng)今的傳感器中所嵌入的機(jī)器學(xué)習(xí)模型越強(qiáng)大,其所接管的我們大腦的數(shù)據(jù)解釋工作就會(huì)越多。這些傳感器現(xiàn)在已經(jīng)可以準(zhǔn)確地告訴我們雞肉什么時(shí)候可以吃,以及那艘顏色鮮艷的潛水艇的起源。
模型幫助我們將日常的定性體驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量理解,從而幫助我們解釋、預(yù)測(cè)和操縱我們周圍的世界。傳感器和新的機(jī)器學(xué)習(xí)模型使得人類能夠擴(kuò)展我們大腦的解釋能力。它們幫助我們?cè)鰪?qiáng)了自己的想象力,讓我們超越自己的生理極限。因此,它們構(gòu)成了新興的綜合機(jī)器和人類信息處理以及地球的智能未來的關(guān)鍵一層。
我的感覺看起來是這樣的嗎?
原文鏈接:
譯者:boxi。
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