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重磅干貨，第一時(shí)間送達(dá)
我的爸爸媽媽都是一個(gè)西南小城的大學(xué)老師。自從有記憶的時(shí)候開(kāi)始，每次到他們期末考試的時(shí)候，他們就要花上好幾天的時(shí)間改卷。最近幾年，步入中年的他們開(kāi)始老花了，改卷越來(lái)越費(fèi)力，特別是我媽媽本身就高度近視，所以有時(shí)候得讓學(xué)生幫忙。但是每張?jiān)嚲硭氖搅肋x擇題，我爸上的還是公共課，學(xué)生更多。
今年過(guò)年的時(shí)候，我剛畢業(yè)還沒(méi)入職，賦閑在家，就請(qǐng)了兩個(gè)研究生同學(xué)跑來(lái)家里玩，然后他們也“順便”改了一下選擇題。整個(gè)過(guò)程非?？菰铮贸院脦淄肼萁z粉才能補(bǔ)回來(lái)。然后我忽然意識(shí)到，我們?nèi)齻€(gè)可能是家鄉(xiāng)歷史上出現(xiàn)過(guò)計(jì)算機(jī)水平最高的三顆大腦，還都是CMU畢業(yè)搞智能信息系統(tǒng)的，竟然還要做這種本應(yīng)該交給計(jì)算機(jī)干的活兒，于是我自然而然想到了把它自動(dòng)化。
答題卡讀卡機(jī)是很早很早就有的東西了，但是主要有幾點(diǎn)原因爸爸媽媽他們學(xué)校一直沒(méi)有用上：
設(shè)備太貴
淘寶答題卡讀卡器5000元起。加上反腐之后，審計(jì)收緊，這種價(jià)格的設(shè)備需要統(tǒng)一通過(guò)政府采購(gòu)，價(jià)格更加高昂，如果要購(gòu)買(mǎi)這種設(shè)備手續(xù)非常復(fù)雜。
需要專(zhuān)用答題卡
這進(jìn)一步提升了使用成本，一般一張答題卡的采購(gòu)價(jià)是一毛錢(qián)。
使用復(fù)雜
爸爸媽媽雖然電腦已經(jīng)用得很溜了，但是現(xiàn)在已有的軟件的操作界面還是讓老一輩教師望而卻步——所以有的院校得專(zhuān)門(mén)雇人來(lái)操作答題卡讀卡器。
剛好我本科接觸過(guò)圖像和視頻處理技術(shù)，在CMU的時(shí)候某個(gè)課程項(xiàng)目是識(shí)別手寫(xiě)公式轉(zhuǎn)換成Latex，個(gè)人有一定的技術(shù)積累。剛好簽證例行被行政審查，暫時(shí)沒(méi)法入職，過(guò)年期間就開(kāi)始設(shè)計(jì)這么一個(gè)系統(tǒng)。針對(duì)上面三點(diǎn)，這個(gè)系統(tǒng)需要有以下幾個(gè)特性，我一并做了調(diào)研：
設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單易用
之前，在我印象中掃描還是手動(dòng)模式，需要掃完一張，再放下一張……
直到我到CMU才第一次見(jiàn)識(shí)了自動(dòng)送紙（Auto Document Feeder）掃描儀。
同時(shí)我在網(wǎng)上看了一下價(jià)格，自動(dòng)進(jìn)紙掃描儀最便宜的新品是國(guó)產(chǎn)的 清華紫光-F20S，只要1150元包郵，這個(gè)價(jià)格就算我自己掏腰包也可以承受，而且50張的紙匣已經(jīng)基本足夠一般教學(xué)的使用了。
普通打印機(jī)就能打印的黑白答題卡
常見(jiàn)的答題卡的框線一般都做成紅、綠、藍(lán)三種顏色：
對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)中RGB的顏色表示方式，這樣在做圖像處理的時(shí)候，能夠用閾值法輕松把框線等非答案的內(nèi)容篩掉篩掉，只剩下學(xué)生填涂的結(jié)果。這樣，再根據(jù)四周的定位塊來(lái)確定學(xué)生的填涂?jī)?nèi)容。
如果變成黑白的，就需要把學(xué)生填涂的內(nèi)容答案從背景中分離出來(lái)，這其實(shí)增加了一點(diǎn)難度，但是考慮到之前在CMU的課程設(shè)計(jì)里做過(guò)類(lèi)似的事情，技術(shù)上是可以解決的。
操作步驟盡可能簡(jiǎn)單
所以我需要盡可能簡(jiǎn)化使用流程，讓使用者少做選擇，盡可能只需要三步：選擇文件——處理——得到結(jié)果
除此之外，我還想整個(gè)東西看起來(lái)厲害一點(diǎn)。
前面說(shuō)道我在CMU做過(guò)類(lèi)似的事情，大概的項(xiàng)目效果是把手寫(xiě)公式轉(zhuǎn)換成Latex公式：
看上去很酷，但實(shí)際上做了如下兩個(gè)假設(shè)之后一點(diǎn)也不難：
字符之間沒(méi)有粘連
同級(jí)的字母基本上都保持在一個(gè)水平線上
難點(diǎn)就在有的字符是被分成兩部分的，需要合并，比如等號(hào)，階乘號(hào)和i,j……可以“啟發(fā)式”合并，或者實(shí)在太難可以假設(shè)他們不存在好了……（科學(xué)就是這么進(jìn)步的嘛，基礎(chǔ)性、積累性的工作靠大部分普通人解決，挑戰(zhàn)性的工作由少部分天才解決）
識(shí)別這一塊，機(jī)器學(xué)習(xí)的庫(kù)現(xiàn)在封裝得太好用了，基本上搜集到數(shù)據(jù)丟進(jìn)去無(wú)腦訓(xùn)練就行，更何況這個(gè)只是機(jī)器學(xué)習(xí)入門(mén)必讀教程——識(shí)別手寫(xiě)數(shù)字的升級(jí)版。只需要多采集一些手寫(xiě)數(shù)據(jù)就好了。
當(dāng)時(shí)我搞了這么一個(gè)表格，讓爸爸媽媽在上課的時(shí)候找學(xué)生去填：
然后用了一些框線檢測(cè)的算法和字符提取的算法搞出了個(gè)數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練模型的測(cè)試效果也還行。
所以我剛開(kāi)始做的時(shí)候野心比較大，想把填涂式改為手寫(xiě)式的答題卡，因?yàn)檫x項(xiàng)最多只有ABCDEFG和勾叉。
有了之前的想法，我就開(kāi)始動(dòng)手實(shí)現(xiàn)。
答題卡
第一步肯定是核心功能，識(shí)別。第一版的答題卡設(shè)計(jì)我已經(jīng)找不到了，但是大致思想跟第二版差不多，學(xué)號(hào)部分也是手寫(xiě)的：
不定向選擇題之所以設(shè)計(jì)成這樣，是因?yàn)閷?shí)際使用中讓學(xué)生寫(xiě)多個(gè)選項(xiàng)的時(shí)候不連筆這個(gè)假設(shè)很難成立：一方面自然是學(xué)生書(shū)寫(xiě)習(xí)慣的問(wèn)題；另一方面，即便學(xué)生書(shū)寫(xiě)沒(méi)有問(wèn)題，也可能會(huì)因?yàn)榧垙?、掃描儀的問(wèn)題意外出現(xiàn)一些筆跡的斷裂和符號(hào)的粘連。
一旦出現(xiàn)筆跡斷裂、字母粘連的情況，就需要加入切割算法——這恰恰是驗(yàn)證碼中一個(gè)比較難解決的問(wèn)題——更何況，驗(yàn)證碼識(shí)別器只需要30%的準(zhǔn)確率就能湊合用，達(dá)到60%的準(zhǔn)確率就基本滿(mǎn)足需求了，而評(píng)卷時(shí)的準(zhǔn)確率是以人的識(shí)別準(zhǔn)確率（95%以上）作為標(biāo)準(zhǔn)的。
同時(shí)，就算能夠成功切割，往往也會(huì)引入一些變形，對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確率造成負(fù)面影響。
所以，這個(gè)表格定下來(lái)后，大致處理方法是這樣：提取出三塊最大的矩形，然后利用框線檢測(cè)方法去掉框線，提取出表格中的字母，標(biāo)準(zhǔn)化（居中、放大、填補(bǔ)邊緣）之后利用上次收集的手寫(xiě)字符數(shù)據(jù)訓(xùn)練分類(lèi)器并識(shí)別。
然而，這時(shí)候我才發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練出來(lái)的模型能夠平均達(dá)到97%的準(zhǔn)確率，但是具體測(cè)試總會(huì)出現(xiàn)一些匪夷所思的識(shí)別錯(cuò)誤，有點(diǎn)類(lèi)似One pixel attack for fooling deep neural networks（針對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單像素攻擊）里面提到的問(wèn)題。雖然97%的準(zhǔn)確率也算可以接受了，因?yàn)橐俏易约簛?lái)改看走眼一兩個(gè)很正常，但是我自己很不滿(mǎn)意，畢竟如果有人剛好因?yàn)橐粋€(gè)識(shí)別錯(cuò)誤冤枉掛了那是很不好的（明明沒(méi)過(guò)的過(guò)了那就不管了）。而且有一部分識(shí)別錯(cuò)誤發(fā)生在學(xué)號(hào)部分，這會(huì)導(dǎo)致登記分?jǐn)?shù)的時(shí)候需要額外的人工核對(duì)工作，盡管把學(xué)號(hào)改成填涂式能夠解決這個(gè)問(wèn)題。
主要原因我估計(jì)是數(shù)據(jù)集不夠（總共加起來(lái)有效樣本才一千來(lái)份），加上采集數(shù)據(jù)時(shí)示例字體是我手寫(xiě)的，可能很多人的寫(xiě)法會(huì)受到我的影響，然而真正測(cè)試的時(shí)候則會(huì)用自己的寫(xiě)法。再進(jìn)行大規(guī)模采集的話，估計(jì)比較困難，所以我最后放棄了手寫(xiě)識(shí)別這個(gè)想法。
由于基于框線的定位在實(shí)際使用中并不是特別讓人滿(mǎn)意，我也沒(méi)想出來(lái)什么簡(jiǎn)單可靠的算法，于是我打算另辟蹊徑，尋找更好的定位的方法。普通識(shí)別卡是在角上放色塊，但是色塊本身也比較容易受干擾，調(diào)試起來(lái)也比較麻煩，還是不方便。
經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，第三版答題卡設(shè)計(jì)成了這樣：
沒(méi)錯(cuò)，就是這么簡(jiǎn)單粗暴。角上借鑒了二維碼的定位塊技術(shù)。二維碼還有一個(gè)名稱(chēng)叫做Quick Response Code，原因就在于這三個(gè)定位塊，它能夠讓程序很方便地定位二維碼的區(qū)域。定位這三個(gè)方塊的算法有很多，具體實(shí)現(xiàn)我參照的是這篇文章：OPENCV: QR CODE DETECTION AND EXTRACTION
大致的原理是對(duì)圖像進(jìn)行邊沿檢測(cè)，然后根據(jù)邊沿的嵌套關(guān)系提取出候選塊，最后抽出最可能的三個(gè)。
然后四周的黑塊用于輔助答案的定位。其實(shí)，因?yàn)閽呙鑳x掃描的圖像基本沒(méi)有形變，所以可以不需要的。但是當(dāng)時(shí)考慮到我需要一次性設(shè)計(jì)多種滿(mǎn)足不同需求的答題卡，所以采取了這種實(shí)現(xiàn)。后來(lái)想想其實(shí)如果在提交的時(shí)候已經(jīng)知道答卷類(lèi)型，其實(shí)完全可以去掉這些黑色輔助定位方塊，以降低印刷難度（有的打印機(jī)在打印黑色色塊的時(shí)候會(huì)有油墨不均勻的情況）和油墨消耗。
之后媽媽在年級(jí)搞英語(yǔ)能力競(jìng)賽，試用了一下，識(shí)別上沒(méi)有什么大問(wèn)題，但是這張答題卡的設(shè)計(jì)上卻有些問(wèn)題：由于空間不足的關(guān)系，我把學(xué)號(hào)拆成了兩欄，內(nèi)部橫向填寫(xiě)，兩欄卻是縱向擺放，同時(shí)既有手寫(xiě)的框，又有填涂的框（主要想順便采集手寫(xiě)數(shù)字的數(shù)據(jù)）。這樣很多學(xué)生在填涂學(xué)號(hào)的時(shí)候就出現(xiàn)了如下情況：
寫(xiě)了學(xué)號(hào)沒(méi)填涂
只填上面一欄學(xué)號(hào)，同時(shí)前五位學(xué)號(hào)手寫(xiě)，后五位學(xué)號(hào)填涂
漏填學(xué)號(hào)某一位
……
真是感嘆，你永遠(yuǎn)不知道用戶(hù)會(huì)以什么奇怪的姿勢(shì)用你的產(chǎn)品。于是，最后我把答題卡設(shè)計(jì)成了這樣：
這樣之后，學(xué)生犯錯(cuò)誤的概率大大降低，也基本達(dá)到效果了，有時(shí)間的話，下一步就是把四周的黑色定位塊給去掉。
評(píng)卷系統(tǒng)
答題卡設(shè)計(jì)好之后，識(shí)別算法基本上水到渠成，只不過(guò)實(shí)際情況中會(huì)有一些瑣碎的細(xì)節(jié)和特殊情況需要仔細(xì)調(diào)較。
下一步就是評(píng)卷系統(tǒng)了，從提交答案、答題卡到匯總成績(jī)，要盡可能簡(jiǎn)單。首先我不想讓他們安裝任何軟件，因?yàn)檫@會(huì)引入額外的操作步驟，每多一步他們就會(huì)困惑一點(diǎn)；其次，我要使用他們盡可能熟悉的操作模式和軟件來(lái)完成我的功能。
于是我最后采用的是：掃描成PDF文件——網(wǎng)頁(yè)提交——網(wǎng)頁(yè)預(yù)覽——下載詳表的模式。
我自己買(mǎi)回來(lái)測(cè)試的是富士通（Fujitsu） IX500的掃描儀，這個(gè)掃描儀實(shí)在是太給力了，一鍵掃描保存成PDF，這給我省了很大的事。
后面的網(wǎng)頁(yè)處理看似簡(jiǎn)單，但是實(shí)際上瑣碎的事情非常多：
首先說(shuō)網(wǎng)頁(yè)提交吧，一個(gè)班掃描出來(lái)的文件往往3~20M大小（有的掃描儀掃出來(lái)的灰度模式，沒(méi)有壓縮），考慮到國(guó)內(nèi)網(wǎng)站需要備案，而且國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的上傳帶寬都小得可憐，所以我得把服務(wù)器放在大陸之外，這樣一來(lái)上傳時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致他們?nèi)滩蛔∷⑿?，所以必須至少有一個(gè)上傳進(jìn)度條，更好的實(shí)現(xiàn)是切片上傳。
其次，盡管識(shí)別算法已經(jīng)足夠強(qiáng)壯，但是仍然免不了一些識(shí)別不了的情況，比如學(xué)生把識(shí)別塊給整個(gè)涂黑了（真有這樣的學(xué)生），印刷缺陷等等，這時(shí)候必須把識(shí)別出錯(cuò)的答題卡給列出來(lái)，悄無(wú)聲息地出錯(cuò)然后把學(xué)生的答題卡吞了就不好了。
還有，因?yàn)榇蟛糠智闆r下最后的個(gè)人總分、單項(xiàng)總分、平均分、每一題的正確率等信息都是需要匯總給教務(wù)處的，我需要一個(gè)方便他們提取這些信息的方式。
說(shuō)起來(lái)上一次寫(xiě)這種網(wǎng)站還是三年前在大摩實(shí)習(xí)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)前端Bootstrap+jQuery，后端Django還是主流，本著先讓它跑起來(lái)的目的我沿用了當(dāng)時(shí)的架構(gòu)，雖然可能已經(jīng)有一點(diǎn)老了，但是至少一切都在我的控制之內(nèi)。
具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)沒(méi)太多可以說(shuō)的，三個(gè)字概括的話就是：糙快猛，要是在公司寫(xiě)這種代碼的話是會(huì)被拖出去打的，就給大家簡(jiǎn)單看看效果吧。
值得一提的是，我在做Excel輸出的時(shí)候費(fèi)了很大的力氣，因?yàn)槲蚁胱龅揭韵聨c(diǎn)：
保證數(shù)據(jù)一致性，即老師改了答案和分值，后面學(xué)生的得分也要改
支持篩選，比如提交了全年級(jí)的答卷，如果篩選了某個(gè)班級(jí)的學(xué)生，對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也得改
支持多選題少選給一半分，不選錯(cuò)選給0分的情況
盡可能使表格好看、通用、易用
為了保證一致性，我需要使用大量的公式，大部分公式還是比較簡(jiǎn)單，主要是公式多了工作比較瑣碎，可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。但是有少部分公式要寫(xiě)起來(lái)還是非常蛋疼的，主要原因是我想避免使用VBA，因?yàn)榇蟛糠掷蠋煹碾娔X安全設(shè)定是屏蔽VBA的，這大大增加了工作量，比如答案分值是一列，而學(xué)生的得分是一行，EXCEL里行列乘法是沒(méi)有的。
還有第三點(diǎn)，大家可以想想怎么用EXCEL的公式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我的實(shí)現(xiàn)方法非常的猥瑣……
經(jīng)過(guò)三個(gè)月的開(kāi)發(fā)和不停地調(diào)較，現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和識(shí)別率都非常不錯(cuò)，后來(lái)給我中學(xué)老師拿去試用反饋也非常好，這可能是我目前為止自己做的最有用的一個(gè)項(xiàng)目了。
只是爸爸媽媽最后想拿去期末考試使用的時(shí)候，遇到了學(xué)院里面的一些阻力，某些認(rèn)識(shí)了十幾年的人以種種奇怪的理由作梗，最后我媽媽三番五次打報(bào)告，一再聲明不要錢(qián)，并請(qǐng)計(jì)算機(jī)系的老師寫(xiě)書(shū)面測(cè)試證明了之后才同意使用。爸爸那邊則只在他自己教的班級(jí)使用，不過(guò)這也就夠了。
好在我寫(xiě)的代碼質(zhì)量還是可以的，成功經(jīng)受住了接近兩千多份的試卷的考驗(yàn)，辦公室的老師也紛紛表示好使，寫(xiě)試卷分析也爽多了。他們也進(jìn)一步提供了一些意見(jiàn)，比如最后每個(gè)學(xué)生的選項(xiàng)需要打印存檔確認(rèn)，所以需要用下劃線標(biāo)識(shí)對(duì)的、錯(cuò)的、部分對(duì)的各種細(xì)節(jié)等等。
從工程上說(shuō)，這其實(shí)算是我寫(xiě)的第一個(gè)比較大的實(shí)用型項(xiàng)目，給我最大的感受就是，你永遠(yuǎn)不知道客戶(hù)以什么姿勢(shì)用你的產(chǎn)品。在發(fā)布前進(jìn)行內(nèi)部封測(cè)還是很必要的，的的確確能夠發(fā)現(xiàn)很多的問(wèn)題和改進(jìn)建議。
我最近在讀《人月神話》，里面提到一點(diǎn)就是，如果說(shuō)程序需要一倍的工作量，那么到程序系統(tǒng)產(chǎn)品組件需要九倍的工作量。我第一次切切實(shí)實(shí)感受到，此言不虛。寫(xiě)識(shí)別算法的時(shí)候尤其感受到回歸測(cè)試的重要性——然而我一直沒(méi)有寫(xiě)回歸測(cè)試，因?yàn)楣ぷ髁坑悬c(diǎn)太大了。
回到題主的問(wèn)題，什么時(shí)候覺(jué)得讀書(shū)有用？我曾經(jīng)回答過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：知乎用戶(hù)：為什么軟件工程專(zhuān)業(yè)要學(xué)習(xí)大學(xué)物理？這個(gè)回答引起了很多人的討論，包括我一些很厲害的同學(xué)也有表示反對(duì)的。這一次，我覺(jué)得又可以增加一條論據(jù)了：在答題卡識(shí)別的算法中我使用了仿射變換，如果不是學(xué)過(guò)線性代數(shù)、大學(xué)物理、機(jī)器視覺(jué)，我可能會(huì)卡在那兒很久甚至放棄。
可能因?yàn)榘职謰寢屖抢蠋煹木壒?，我一直覺(jué)得讀書(shū)、做題、工作是一件很有意思的事情，有時(shí)候理論的確枯燥，但是絕大部分理論都是出自生活中非常有意思的問(wèn)題。所以，就知識(shí)而言，它一定是有用的，只是需要在合適的地方發(fā)揮作用。
本科有一個(gè)同學(xué)是學(xué)臨床醫(yī)學(xué)的，但是他課余在心理學(xué)上花費(fèi)了很多的時(shí)間。我們當(dāng)時(shí)就問(wèn)，心理學(xué)畢業(yè)的話，除了能做心理醫(yī)生還能干嘛呢？他跟我說(shuō)，很多啊，心理學(xué)有一個(gè)分支叫工程心理學(xué)，專(zhuān)門(mén)研究人、機(jī)器與環(huán)境的關(guān)系。很多畢業(yè)生都跑去飛機(jī)制造業(yè)，研究飛行員的心理，以設(shè)計(jì)出盡可能讓飛行員操縱簡(jiǎn)單、不犯錯(cuò)的飛行控制系統(tǒng)。很多產(chǎn)品功能上完全一樣，但是就是交互上有天壤之別，比如前面我提到的答題卡中學(xué)號(hào)的排布，以及飛機(jī)上操縱桿的位置，等等。
所以說(shuō)，保持眼界開(kāi)闊，多接觸新知識(shí)，往往在意想不到的時(shí)候會(huì)對(duì)自身有所幫助。
另一方面，說(shuō)實(shí)話，這個(gè)項(xiàng)目拉給任何一個(gè)合格的一流計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生來(lái)做應(yīng)該都不是問(wèn)題，現(xiàn)實(shí)中這樣不需要太多技術(shù)就可以改進(jìn)和提高的東西還有很多。哈哈，“改變世界”的門(mén)檻似乎并沒(méi)有那么高嘛。很多人不太喜歡李開(kāi)復(fù)老師的“雞湯”，但是我很欣賞他自傳《世界因你不同》中的信念，并且努力踐行。女朋友一直說(shuō)我是情懷黨，做這個(gè)項(xiàng)目我慢慢感覺(jué)到，可能還真是。我很享受這種利用自己所學(xué)來(lái)產(chǎn)生正面影響的事情，哪怕只是一丁點(diǎn)。這一次，當(dāng)滿(mǎn)頭華發(fā)的爸媽不再費(fèi)勁地批閱選擇題，遠(yuǎn)在他鄉(xiāng)的我感到了一點(diǎn)點(diǎn)慰藉，我的所學(xué)似乎賺回了一點(diǎn)點(diǎn)學(xué)費(fèi)。
最后，羅哩羅嗦寫(xiě)了這么多，非常感謝你能夠聽(tīng)我分享這個(gè)故事。：）
其實(shí)，我現(xiàn)在最想做的功能是手機(jī)拍照了之后就能識(shí)別，就像全能掃描王那樣的，不需要專(zhuān)門(mén)掃描儀。這樣會(huì)大大方便一些沒(méi)法購(gòu)買(mǎi)ADF掃描儀的老師。
但是手機(jī)拍照最大的問(wèn)題是成像質(zhì)量不穩(wěn)定?？赡軙?huì)由于光照的原因?qū)е卢F(xiàn)有的二值化算法不適用，同時(shí)在不同情況下會(huì)有形變和畸變，形變尚好解決，只需要一個(gè)坐標(biāo)變換，但是畸變就難了。我有一些初步的想法，基于網(wǎng)格變換搞一個(gè)估價(jià)函數(shù)然后做梯度下降來(lái)尋找最優(yōu)變換，但是這個(gè)工作量比較大也不知道效果如何，感覺(jué)這應(yīng)該是一個(gè)很有趣的問(wèn)題。
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