專利名稱:基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及三維模型重建的方法,特指一種基于模塊化、使用圖像處理技術(shù)和圖
形學(xué)原理對果樹枝干進(jìn)行三維模型快速精確重建的方法。
背景技術(shù):
農(nóng)產(chǎn)品的采摘是一項勞動強(qiáng)度大、消耗時間長的作業(yè),目前,已采用水果采摘機(jī)器 人避開果樹枝干摘取果實(shí)。由于果樹個體形態(tài)千差萬別,對水果采摘機(jī)器人要求預(yù)知果實(shí) 和障礙物(主要為果樹枝干)三維場景,建立障礙物三維信息庫,實(shí)現(xiàn)真實(shí)到虛擬場景的映 射,這就需要對果樹枝干三維模型進(jìn)行快速重建,為滿足避障要求,所建模型必須具有準(zhǔn)確 的空間精度;為了能適應(yīng)果園場景的不斷變化,所建模型必須滿足實(shí)時要求。
2009年8月熊壯等人的《動態(tài)三維樹實(shí)時仿真設(shè)計與實(shí)現(xiàn)》基于SpeedTree幾何 與圖像混合繪制技術(shù)的動態(tài)三維樹木的建模、渲染設(shè)計及與3D引擎銜接的方案,為樹木實(shí) 時建模提供了全新的新的思路;但是該方法目的在于構(gòu)建虛擬環(huán)境,而構(gòu)造樹木的依據(jù)并 不是真實(shí)場景的特定樹木,不存在空間位置精確性描述的要求。 申請?zhí)枮?00810101400. 6,名稱為"三維掃描儀及其三維模型重構(gòu)方法"的專利, 采用的技術(shù)方法是設(shè)計一種光柵掃描設(shè)備,提出了多次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接以得到三維模 型的方法。這種方法的缺陷是由于計算步驟復(fù)雜,無法實(shí)時生成目標(biāo)場景,也不適合在自 然場景使用。 申請?zhí)枮?00610050797. 1,名稱為"基于雙相機(jī)的小型場景三維重建方法及其裝 置"的專利,采用的技術(shù)方法是基于雙相機(jī)的小型場景三維重建方法,這種方法的缺陷是 適合特殊場合,且無法提供快速、實(shí)時建模方法和手段。 從以上公知技術(shù)可知現(xiàn)有技術(shù)無法為水果采摘機(jī)器人提供既可以精確建模,又 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時映射的方法和手段,滿足在自然場景下果實(shí)采摘實(shí)時避障要求。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明旨在提供一種基于圖像的果樹枝干三維模型重建方 法,可在自然場景下實(shí)現(xiàn)對果樹枝干的快速、精確和實(shí)時映射。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是先通過采集裝置采集當(dāng)前視野下果樹枝干圖像的顏色 信息值和對應(yīng)的空間位置坐標(biāo)值;再對果樹枝干圖像進(jìn)行細(xì)線化處理、剪枝處理和樹枝的 線段化處理;然后對處理的圖像進(jìn)行多線段擬合減少建模數(shù)據(jù),將果樹枝干形態(tài)分解成若 干具有單一形態(tài)的模塊;最后對各單一形態(tài)的模塊進(jìn)行組合完成建模。 本發(fā)明根據(jù)非結(jié)構(gòu)化自然場景中果樹復(fù)雜形態(tài)的特點(diǎn),將果樹結(jié)構(gòu)分段簡化形成 基本模塊,再進(jìn)行拼接建模,這種模塊化建模的最大優(yōu)點(diǎn)就是減少建模中的大部分冗余數(shù) 據(jù),縮短建模時間,減少錯誤的發(fā)生,同時可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整模塊的精度和模塊之間連 接關(guān)系以達(dá)到隨時控制和調(diào)整模型的精確度,滿足采摘機(jī)器人避障要求。
圖1為本發(fā)明建模總流程圖。 圖2為只保留枝干的果樹實(shí)體樣例圖。 圖3為細(xì)線化后果樹枝干圖。 圖4為斷枝、短枝剪除處理流程圖。 圖5為多線段擬合圖。 圖6為多線段擬合流程圖。 圖7為模塊化建模流程圖。 圖8為空間坐標(biāo)系中模塊p' p〃經(jīng)過繞x軸旋轉(zhuǎn)小角、繞y軸旋轉(zhuǎn)9角的變換 示意圖。 圖9為最終建模結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要由硬件裝置和軟件系統(tǒng)組成,硬件裝置由雙目相機(jī)組成立體視覺系統(tǒng) 作為采集裝置,采集的果樹枝干的圖像信息包括當(dāng)前視野下的顏色信息值(R,G,B)以及對 應(yīng)的空間位置坐標(biāo)值(x,y,z)。軟件系統(tǒng)分為兩部分一是圖像處理部分,二是圖形重建部 分?;谒烧獧C(jī)器人避障要求,場景圖像為果樹,先將樹枝和交叉的枝干通過圖像的細(xì) 線化處理、剪枝處理,再進(jìn)行樹枝的線段化處理,并進(jìn)行線段多線段擬合減少建模數(shù)據(jù),據(jù) 此將復(fù)雜的果樹形態(tài)分解成若干可控的具有單一形態(tài)的模塊;最后在完成基本模塊的建模 后,對模塊進(jìn)行組合以完成建模。 在避障過程中樹葉的柔軟性不會損害機(jī)械手臂,一般不作為障礙物處理,因此采
集數(shù)據(jù)信息后,可以根據(jù)樹葉、樹干的顏色差異將樹葉去除,只保留如圖2所示的枝干圖
像。流程如圖l所示,提取枝干后的圖像進(jìn)行二值化處理,然后轉(zhuǎn)化成距離圖像,將距離圖
像數(shù)據(jù)和細(xì)線化后圖像數(shù)據(jù)結(jié)合得到枝干中心線距離值,再與前期采集得到的空間位置坐
標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合,得到中心線每一點(diǎn)空間坐標(biāo)以及對應(yīng)的枝干半徑。為減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量,將枝干
中心線剪除短枝去除贅點(diǎn),得到可以表示樹木拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)及對應(yīng)半徑。根據(jù)關(guān)
鍵點(diǎn)坐標(biāo)可以計算出圓柱體的高度以及空間變換矩陣,而半徑信息可以得到圓柱體兩端面
圓的十二等分點(diǎn)坐標(biāo)值,這兩者結(jié)合可以得出模型頂點(diǎn)坐標(biāo)值,對這些坐標(biāo)值按照三維格
式存儲即可以得到完整樹木枝干模型。 本發(fā)明具體步驟如下 對樹枝圖像進(jìn)行處理的具體方法為 1)將由得到的圖2圖像進(jìn)行二值化處理,背景設(shè)為O,枝干設(shè)為1 ;
2)將經(jīng)二值化處理后的圖像轉(zhuǎn)化為距離圖像,再進(jìn)行細(xì)線化處理,處理結(jié)果如圖 3所示。記錄細(xì)線化處理保留下來的每一像素點(diǎn)在距離圖像中的距離值d。并根據(jù)每一對 應(yīng)的像素點(diǎn)坐標(biāo)值求出單位像素所代表的實(shí)際距離m。設(shè)由采集裝置得到的對應(yīng)點(diǎn)的空間 坐標(biāo)為(x, y, z),可以得到該點(diǎn)所對應(yīng)的枝干中心坐標(biāo)值為(x, y, z-md),該處的枝干半徑 R = md ;即將距離圖像中像素距離值d和比例系數(shù)m相乘,得到樹枝實(shí)際半徑。在模型縱向 精度方向確定樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??v向精度定義為建立的虛擬模型和樹枝實(shí)際生長方式的 擬合程度。得到的樹木圖像具有嚴(yán)密的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如果完全按照這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,所建立的模型固然真實(shí),但是其建模時間必然增加,不能達(dá)到實(shí)時建模的目的。因此本發(fā)明對 樹木分枝連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分離處理,使其成為若干互不相連的枝條。并通過設(shè)定閾值T1(T1 > 2, Tl的實(shí)際意義是樹枝枝條長度與枝條半徑的比值),去除虛假短枝。Tl取值越大,被 剪的短枝越長,較長的短樹枝就會被去掉,影響模型精度,本發(fā)明取T1 = 4。當(dāng)計算出枝干 半徑R后,設(shè)定Tl X R為評判虛假短枝的閾值,進(jìn)行斷枝、短枝剪除處理,將與半徑長度類似 的短枝去除,具體方法如圖4為 ①圖像順次掃描,找到細(xì)線化圖的非0點(diǎn),判斷該點(diǎn)周圍八鄰域非0點(diǎn)個數(shù)n :n > 1繼續(xù)掃描圖像;11= l,則設(shè)該點(diǎn)為初始點(diǎn),設(shè)坐標(biāo)值及半徑為Kx' ,y' ,z' ),R' },掃 描得到的八鄰域中的非O點(diǎn)設(shè)為終點(diǎn),坐標(biāo)值及半徑為Kx〃 ,y〃 ,z〃 ),R〃 },并且記錄 這兩點(diǎn)的圖像位置及兩點(diǎn)對應(yīng)的半徑(R' ,R〃 )最大值R; ②對終點(diǎn)進(jìn)行八鄰域掃描,并判斷終點(diǎn)八鄰域非0點(diǎn)個數(shù)nl :nl = 2,則設(shè)掃描得 到的新點(diǎn)為終點(diǎn),記錄該點(diǎn)的圖像位置,并用該點(diǎn)對應(yīng)的樹干中心坐標(biāo)及對應(yīng)半徑值更新 Kx" ,y〃 ,z〃 ),R" h重復(fù)進(jìn)行上述步驟②; ③根據(jù)起始點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值求出起始點(diǎn)到終點(diǎn)距離d,若d < Tl X R,則將本次
循環(huán)中記錄的所有點(diǎn)置為0點(diǎn),即執(zhí)行剪枝處理;否則回到上述步驟①。 如圖5,為保證建模精確性,建立評價函數(shù),通過對已分段的各枝條進(jìn)行多線段擬
合,僅選擇建模必要的空間點(diǎn),將各枝條拆分成多個基本模塊分別建模。模塊化的處理使得
建模具有通用性,可以大大提高建模速度。具體方法如圖6所示為 ①圖像順次掃描,找到細(xì)線化圖的非0點(diǎn),判斷8鄰域中是否存在非0點(diǎn)如果存 在,記錄8鄰域中的非0點(diǎn)位置和個數(shù),如果非0點(diǎn)個數(shù)大于2,則繼續(xù)順次掃描,如果非0 點(diǎn)個數(shù)小于等于2,則作為枝干的起始點(diǎn),并記錄該處的坐標(biāo)值和枝干半徑(x' ,y' ,z') 和R',起始點(diǎn)在圖像的位置置為0; ②得到的像素點(diǎn)8鄰域中,如果非0點(diǎn)個數(shù)不等于2,記錄枝干數(shù)據(jù)Kx' ,y', z' ),R' ,(x〃,y〃,z〃 ),R" h并將該像素點(diǎn)置為0,回到上述步驟①;如果非0點(diǎn)個數(shù) 為2則進(jìn)行③; ③得到新的非0點(diǎn)位置后,將細(xì)線化圖中(x〃 ,y〃 ,z〃 )標(biāo)示的點(diǎn)置O,并將該坐 標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為中間點(diǎn),用新點(diǎn)位置坐標(biāo)和半徑更新(x〃 ,y〃 ,z〃 )和R〃 ;
④確定起始點(diǎn)(x' , y' , z')和終點(diǎn)(x" , y" , z")兩點(diǎn)在圖像中所處位置, 并確定由步驟③所得到的中間點(diǎn)位置,根據(jù)縱向精度的要求,設(shè)定閾值為T,根據(jù)點(diǎn)的位置 值,判定每一中間點(diǎn)到起始點(diǎn)與終點(diǎn)連線的最遠(yuǎn)距離。如圖5中,有一段起點(diǎn)為A終點(diǎn)為D 的待擬合曲線AD。此時,曲線AB上點(diǎn)到線段AB最遠(yuǎn)距離為dl,曲線AC到線段AC最遠(yuǎn)距 離為d2。當(dāng)dl < T時,掃描8鄰域進(jìn)行②,繼續(xù)順次掃描,并將掃描得到的新點(diǎn)替代原來終 點(diǎn),當(dāng)更新的終點(diǎn)到C時,曲線AC上的點(diǎn)到線段AC最遠(yuǎn)距離d2 > T,結(jié)束掃描;將起點(diǎn)位 置A用B點(diǎn)替代,重復(fù)上述過程,最終用線段AB和BD擬合曲線AD ;否則進(jìn)行步驟⑤;
⑤存儲一組枝干數(shù)據(jù)Kx' ,y' ,z' ),R' , (x〃 , y〃 ,z〃 ) , R" },如圖5中記 錄A點(diǎn)和B點(diǎn)的空間坐標(biāo)及對應(yīng)半徑作為一組數(shù)據(jù);同理,存儲B點(diǎn)和D點(diǎn)的空間坐標(biāo)及對 應(yīng)半徑作為下一組數(shù)據(jù),進(jìn)行上述步驟①,直至整幅圖像掃描結(jié)束。 在完成圖像順次掃描后,可以得到所有的符合縱向精確度要求的枝干中心線兩端 點(diǎn)的空間坐標(biāo)以及對應(yīng)枝干的半徑。
橫向精度的定義為棱柱的邊數(shù)。在使用棱柱逼近圓柱時,棱柱的邊數(shù)越多橫向精 確度越高。由于果樹枝干一般為圓柱形,因此在經(jīng)過圖像處理得到半徑和空間位置后,可以 確定果樹枝干的形狀。根據(jù)橫向精度的要求,在這里選用12棱柱進(jìn)行建模。
建模步驟為如圖7所示 1)從存儲的數(shù)據(jù)中讀取一組數(shù)據(jù),設(shè)為Kx' ,y' ,z R" },根據(jù)上文可以得知,Kx' ,y' ,z' ),R' ,(x〃,y〃,z 標(biāo)值(x' ,y' ,z' ), (x" ,y〃 ,z〃 )及對應(yīng)的樹枝半徑R' 標(biāo),即數(shù)據(jù)變?yōu)镵x' ,y' ,z' ,l),R' , (x〃 ,y〃 ,z〃 ,l),R 設(shè)為R,并求出這一組數(shù)據(jù)中的兩點(diǎn)空間距離的值D(D為分段后樹木枝干圓柱體的高度,即 圖5中線段AB和BD的空間距離)為
),R' , (x〃 ,y" ,z〃 ), ),R〃 }表示兩空間點(diǎn)坐 R〃 ,將原坐標(biāo)置為齊次坐 h求出R和R〃的最大值
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2)根據(jù)求十二等分點(diǎn)的公式,圓柱起點(diǎn)端面圓的十二等分點(diǎn)P/分別為 廣 「5+"、 <formula>formula see original document page 7</formula>
其中:n G {1,2,3.", 12}
圓柱終點(diǎn)端面圓的十二等分點(diǎn)P/分別為
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6 -
其中:n G {1,2,3.", 12}
3)將2)所得的所有等分點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過以下變換矩陣的處理
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其中繞x軸旋轉(zhuǎn)小角,繞y軸旋轉(zhuǎn)9角,如圖8所示為 <formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>
z" ),R" }所對應(yīng)的枝 cos ^ = Vl - sin2 - 即可以得到可以描述Kx' ,y' ,z' ),R' ,(x〃,y' 干的圓柱體兩端面圓的十二等分頂點(diǎn)坐標(biāo)值。 4)根據(jù)建模的要求,將步驟3)得到的圓柱體十二等分點(diǎn)坐標(biāo)值共二十四個頂點(diǎn) 數(shù)據(jù)按照三維模型存儲格式存儲,生成一個模塊,完成一組數(shù)據(jù)的建模,并判斷圖像處理的 數(shù)據(jù)是否已經(jīng)讀取完畢,如果否,則返回步驟1)進(jìn)行下一模塊的建模;如果是,則已經(jīng)完成建模,建模結(jié)果圖見圖9,圖9為iv格式下所有模塊組合的三維模型。
權(quán)利要求
一種基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法,其特征是采用如下步驟1)通過采集裝置采集當(dāng)前視野下果樹枝干圖像的顏色信息值和對應(yīng)的空間位置坐標(biāo)值;2)對果樹枝干圖像進(jìn)行細(xì)線化處理、剪枝處理和樹枝的線段化處理;3)對處理的圖像進(jìn)行多線段擬合減少建模數(shù)據(jù),將果樹枝干形態(tài)分解成若干具有單一形態(tài)的模塊;4)對各單一形態(tài)的模塊進(jìn)行組合完成建模。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法,其特征是步驟2) 中將果樹枝干圖像進(jìn)行二值化處理,將經(jīng)二值化處理后的圖像轉(zhuǎn)化為距離圖像,進(jìn)行細(xì)線 化處理,將距離圖像數(shù)據(jù)和細(xì)線化后圖像數(shù)據(jù)結(jié)合得到果樹枝干中心線距離值,再與采集 得到的空間位置坐標(biāo)值結(jié)合,得到中心線每一點(diǎn)空間坐標(biāo)以及對應(yīng)的果樹枝干半徑,對果 樹枝干分枝連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分離處理,使其成為若干互不相連的枝條,將果樹枝干枝條長 度與枝條半徑的比值設(shè)為閾值Tl,根據(jù)閾值Tl進(jìn)行剪枝處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法,其特征是剪枝處 理方法是① 圖像順次掃描,找到細(xì)線化圖的非0點(diǎn),判斷該點(diǎn)周圍八鄰域非O點(diǎn)個數(shù)n :n > 1 繼續(xù)掃描圖像;11 = l,則設(shè)該點(diǎn)為初始點(diǎn),設(shè)果樹枝干坐標(biāo)值及半徑為Kx' ,y' ,z'), R' h掃描得到的八鄰域中的非O點(diǎn)設(shè)為終點(diǎn),記錄這兩點(diǎn)的圖像位置及兩點(diǎn)對應(yīng)的半徑 (R' ,R")最大值R;② 對終點(diǎn)進(jìn)行八鄰域掃描,判斷終點(diǎn)八鄰域非0點(diǎn)個數(shù)nl ml = 2,設(shè)掃描得到的新 點(diǎn)為終點(diǎn),記錄該點(diǎn)的圖像位置,并用該點(diǎn)對應(yīng)的樹干中心坐標(biāo)及對應(yīng)半徑值更新Kx〃 , y" ,z" ),R" h重復(fù)進(jìn)行步驟②;③ 根據(jù)起始點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值求出起始點(diǎn)到終點(diǎn)距離d,若d < TIXR,則將本次循環(huán) 中記錄的所有點(diǎn)置為0點(diǎn),即執(zhí)行剪枝處理;否則回到步驟①。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法,其特征是多線段 擬合方法是① 圖像順次掃描,找到細(xì)線化圖的非0點(diǎn),判斷8鄰域中是否存在非0點(diǎn),如果存在,記 錄8鄰域中的非0點(diǎn)位置和個數(shù),如果非0點(diǎn)個數(shù)大于2,則繼續(xù)順次掃描,如果非0點(diǎn)個數(shù) 小于等于2,則作為果樹枝干的起始點(diǎn),記錄該處的坐標(biāo)值(x' ,y' ,z')和果樹枝干半徑 R',起始點(diǎn)在圖像的位置置為O;② 得到的像素點(diǎn)8鄰域中,如果非0點(diǎn)個數(shù)不等于2,記錄果樹枝干數(shù)據(jù)Kx' ,y', z' ),R' ,(x〃,y〃,z〃 ),R〃 h并將該像素點(diǎn)置為0,回到步驟①;如果非0點(diǎn)個數(shù)為2 則進(jìn)行步驟③;③ 得到新的非0點(diǎn)位置后,將細(xì)線化圖中(x〃 ,y〃 ,z〃 )標(biāo)示的點(diǎn)置O,并將該坐標(biāo)點(diǎn) 標(biāo)記為中間點(diǎn),用新點(diǎn)位置坐標(biāo)和半徑更新(x〃 ,y〃 ,z〃 )和R〃 ;④ 確定起始點(diǎn)(x' , y' , z')和終點(diǎn)(x〃 , y〃 , z〃 )兩點(diǎn)在圖像中所處位置,并確 定由步驟③所得到的中間點(diǎn)位置,設(shè)定閾值為T,根據(jù)點(diǎn)的位置值,判定每一中間點(diǎn)到起始 點(diǎn)與終點(diǎn)連線的最遠(yuǎn)距離;⑤ 存儲一組枝干數(shù)據(jù)Kx' ,y' ,z' ),R' ,(x" ,y〃 ,z〃 ),R" h進(jìn)行上述步驟①,直至整幅圖像掃描結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法,其特征是步驟4) 中的建模方法為1) 從存儲的數(shù)據(jù)中讀取兩空間點(diǎn)坐標(biāo)值(x' ,y' ,z' ),(x〃,y〃,z〃 )及對應(yīng)的果 樹枝干半徑R' 、R〃 ,將原坐標(biāo)置為齊次坐標(biāo),即數(shù)據(jù)變?yōu)镵x' ,y' ,z' ,l),R' , (x〃 , y〃 ,z〃 ,l),R" h求出R'和R〃的最大值設(shè)為R,并求出這一組數(shù)據(jù)中的兩點(diǎn)空間距離的 值D;2) 根據(jù)求等分點(diǎn)的公式,將所得的所有等分點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過變換矩陣處理,得到描述{(X' ,y' ,z' ),R' ,(x〃,y〃,z〃 ),R〃 }所對應(yīng)的果樹枝干的圓柱體兩端面圓的等 分頂點(diǎn)坐標(biāo)值;3) 將得到的圓柱體等分點(diǎn)坐標(biāo)值頂點(diǎn)數(shù)據(jù)按照三維模型存儲格式存儲,生成一個模塊;4) 判斷圖像處理的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)讀取完畢,如果否,返回步驟l)進(jìn)行下一模塊的建模 直至完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于圖像的果樹枝干三維模型重建方法,通過采集裝置采集當(dāng)前視野下果樹枝干圖像的顏色信息值和對應(yīng)的空間位置坐標(biāo)值;對果樹枝干圖像進(jìn)行細(xì)線化處理、剪枝處理和樹枝的線段化處理;對處理的圖像進(jìn)行多線段擬合減少建模數(shù)據(jù),將果樹枝干形態(tài)分解成若干具有單一形態(tài)的模塊;對各單一形態(tài)的模塊進(jìn)行組合完成建模。本發(fā)明減少了建模中的大部分冗余數(shù)據(jù),縮短建模時間,減少錯誤的發(fā)生,可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整模塊的精度和模塊之間連接關(guān)系以達(dá)到隨時控制和調(diào)整模型的精確度,滿足采摘機(jī)器人避障要求。
文檔編號G06T11/00GK101706968SQ200910232278
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者呂強(qiáng), 張文莉, 李永平, 蔡健榮, 陳全勝 申請人:江蘇大學(xué)