專利名稱:基于弱混沌圖形的3d飾品制備方法
基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法
所屬技術領域
本發(fā)明涉及一種飾品制備方法,尤其涉及一種基于弱混沌圖形的3D飾品 制備方法。背景技術:
傳統(tǒng)的飾品設計相當繁復,完全依靠設計師的靈感來進行創(chuàng)造手工設計。 同時,還需要經(jīng)過計算機修繕設計稿、版型設計等。設計較為單一,且用時漫 長。結(jié)合鑄造工藝,目前飾品的設計生產(chǎn)主要分為三大類。
(一) 精密復雜的高端飾品運用手繪設計稿或組合式設計(組合式設計"指 的是手工設計與軟件設計的結(jié)合,將手工設計稿輸入計算機,通過計算 機軟件將收工設計稿設計成電子設計稿,最后轉(zhuǎn)化成快速成型設備能識 別的文件輸入快速成型設備即可。),采用雕刻、花絲、串寶等傳統(tǒng)工藝 的制作。
(二) 低端的產(chǎn)品主要運用組合式設計,采用現(xiàn)代化精密的澆鑄工藝、機械 加工等方法來實現(xiàn)。
(三) 新型技術CAD/CAM技術以及快速成型技術的產(chǎn)生為飾品的生產(chǎn)制造提 供了新的可能。設計師及工匠脫離了從二維圖像到三維立體漫長的校對過程, 直接通過快速成型機來進行圖案識別及制作,且成品較為精致。但是,設計稿 的原形還是手工設計的手稿。
在經(jīng)濟發(fā)展快速、消費趨勢日漸多元的現(xiàn)代社會,飾品在設計生產(chǎn)方面暴 露出幾點不足
(一)設計過程相當繁雜。無論是純手繪的設計還是組合式設計,受人工制約, 且圖案設計慢(對于組合式設計來說,同一設計稿需要兩次的設計操作,設計更慢),生產(chǎn)周期長,難以滿足差異化、多元化的消費市場。
(二) 圖案設計受人腦的制約,短時間內(nèi)難以創(chuàng)造出新的設計。
(三) 傳統(tǒng)工藝制造的飾品出貨速度與精細度不成正比,影響產(chǎn)品的品質(zhì)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,將2D弱 混沌圖形運用曲面造型手段完成3D飾品的設計,設計速度快,所制備的飾品精 度高,且還能使飾品的外觀形狀變化無窮、美觀新奇,突破人的靈感限制,且 造型可控性強,解決現(xiàn)有技術存在的上述缺陷。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術問題所采用的技術方案是基于弱混沌圖形的3D飾品 制備方法,其步驟包括(一)、生成弱混沌圖形;(二)、處理弱混沌圖形,其 特征在于(三)、將處理過的弱混沌圖形生成3D點云;(四)、對3D點云進行 網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面;(五)、將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面;(六)、將 3D閉合曲面轉(zhuǎn)化成快速成型設備能識別的文件,將該文件輸入快速成型設備進 行成形加工,完成3D飾品的制備。本發(fā)明主要開發(fā)以均勻隨機網(wǎng)與準規(guī)則斑 圖為主的弱混沌圖形。均勻隨機網(wǎng)是由共振扭轉(zhuǎn)映射滿足一定條件下產(chǎn)生的。 準規(guī)則斑圖則是根據(jù)弱混沌條件下非線性動力學系統(tǒng)的特點,通過對準對稱隨 機網(wǎng)進行平滑的操作形成的。由于本發(fā)明目的是將2D弱混沌圖形形成3D閉合 曲面的造型,最后將3D閉合曲面的數(shù)據(jù)輸送到快速成型設備進行加工,即可 得到3D飾品。把原不可視的弱混沌動力學領域里高能粒子運動軌跡轉(zhuǎn)化為美 學信息,根據(jù)非線性動力學原理進行無窮無盡的圖形變化與轉(zhuǎn)換,同時,可根 據(jù)需要對生成的圖形進行選擇性的"邊界勾勒"(即截取弱混沌圖形上的局部), 外觀控制的自由度很大。把成為藝術題材,從而有效地擴展了飾品設計視野, 形成的飾品外觀豐富新奇,因而具有較高的商業(yè)應用價值。通過計算機將2D 圖形轉(zhuǎn)化為3D模型,設計精度較高、因此制作的品質(zhì)較好,能較好地滿足多 元化、個性化、時尚化的市場趨勢。作為對上述技術方案的進一步完善和補充,本發(fā)明采用如下技術措施所 述的處理弱混沌圖形的步驟包括裁剪弱混沌圖形區(qū)域;所述的將處理過的弱 混沌圖形生成3D點云的步驟為對裁剪的弱混沌圖形進行灰度轉(zhuǎn)換,由2D圖 像轉(zhuǎn)換成3D點云,其定義域為2D圖像的裁剪區(qū)域,而其點的高度為關于2D 圖像像素點的灰度值的函數(shù);接著,將生成的3D點云進行去噪處理。將平面 圖形轉(zhuǎn)化為3D點云。
所述的將3D點云進行網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的歩驟為首先將3D點云投 影到X-Y平面上,形成投影域點云,并根據(jù)其分布,對包含投影域點云的X-Y 平面區(qū)域按橫向和縱向劃分成四邊形網(wǎng)格,然后對落在投影域內(nèi)的每個四邊形, 選擇其中一條邊連接以進行三角剖分,若四邊形中只有三個點落在投影域內(nèi), 則直接連接該三點;最后將完成三角剖分后的投影域網(wǎng)格,保持拓撲關系和原 3D點云坐標值不變,映射回3D空間,從而形成3D網(wǎng)格曲面。將3D點云轉(zhuǎn)化 為3D曲面。
所述的將3D點云曲面重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟還包括網(wǎng)格曲面優(yōu)化,網(wǎng) 格曲面優(yōu)化的步驟包括a)對三角進行交互操作、減少狹長三角形;b)刪除 狹長的或?qū)δP陀绊懶〉娜切危喕W(wǎng)格。
所述的將3D點云曲面重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟還包括網(wǎng)格光順,降低噪
聲°
所述的將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面的步驟為首先按點與點的連接
順序搜索出網(wǎng)格曲面最外圈所有的邊界點,然后往z軸負方向拉伸邊界點,產(chǎn)
生一圈等高點,拉伸的長度大于等于零,并與原網(wǎng)格曲面最外圈的邊界點進行
三角化;然后構(gòu)造底座曲面。
在構(gòu)造底座曲面時,若底座曲面為一個平面,則確定底座中心點并進行三 角化即可;
在構(gòu)造底座曲面時,若底座為對稱面,對原網(wǎng)格曲面的幾何與拓撲信息進行對稱映射得到;
在構(gòu)造底座曲面時,若底面為與原曲面不同的曲面,則可先生成該曲面點 云,進行三角化后與原曲面進行拼接。
本發(fā)明具有突出的實質(zhì)性特點1、將2D弱混沌圖形運用曲面造型手段完
3D飾品設計的3D閉合曲面,并將數(shù)據(jù)輸送到快速成型設備進行加工,設計速
度快,所制備的飾品精度高,能較好地滿足多元化、個性化、時尚化的市場趨
勢。;2、弱混沌圖形變化無窮、美觀新奇,能使飾品設計突破人的靈感限制, 把原不可視的弱混沌動力學領域里根據(jù)非線性動力學原理進行無窮無盡的圖形 變化、并美學信息轉(zhuǎn)換,有效地擴展了飾品設計視野,形成的飾品外觀豐富新
奇;3、還可根據(jù)需要對生成的圖形進行選擇性的"邊界勾勒"(即截取弱混飩
圖形上的局部),外觀控制的自由度很大。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖
和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其步驟包括(一)、生成弱 混沌圖形;(二)、處理弱混沌圖形,(三)、將處理過的弱混沌圖形生成3D點 云;(四)、對3D點云進行網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面;(五)、將網(wǎng)格曲面封閉形 成3D閉合曲面;(六)、將3D閉合曲面轉(zhuǎn)化成快速成型設備能識別的文件,將 該文件輸入快速成型設備進行成形加工,完成3D飾品的制備。本發(fā)明主要開 發(fā)以均勻隨機網(wǎng)與準規(guī)則斑圖為主的弱混沌圖形。均勻隨機網(wǎng)是由共振扭轉(zhuǎn)映 射滿足一定條件下產(chǎn)生的。共振扭轉(zhuǎn)映射在(",v)平面上滿足共振條件時,如《為 整數(shù),則當^次共振條件成立時稱為《階共振扭轉(zhuǎn)映射
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研究表明,當《>2時,共振扭轉(zhuǎn)映射對應于不可積哈密頓系統(tǒng),有可能產(chǎn) 生混沌。如下的g值集合&J = {1,2,3,4,6,}對應于相平面上的無限大周期性均勻隨機網(wǎng);而當《^&}時,例如g-5,7,8…時,則可形成具有各種對稱美的精致而復 雜的準周期網(wǎng)。均勻隨機網(wǎng)圖形邊緣細膩、清晰,同一領域內(nèi)的色彩變化波動 比較大,因此需要經(jīng)過濾波等特殊處理,弱化色彩差異。本發(fā)明采取的方法是 通過適當控制由RGB值表示的亮度值,使轉(zhuǎn)化后的高度值限制在適合的范圍 內(nèi)。
準規(guī)則斑圖則是根據(jù)弱混沌條件下非線性動力學系統(tǒng)的特點,通過對準對 稱隨機網(wǎng)進行平滑的操作,即通過哈密頓量變換/^(//,;^)=《0","得到的。
具休講,對于q階共振映射^。的動力學系統(tǒng)的哈密頓量
//。 = (;r )(w2 +v2) —^sinvX外—m)
一 (2)
所確定的q次準對稱網(wǎng),按兩個步驟進行平滑化處理 第一步,變換到一個以頻率為v^1 /q旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動坐標中; 第二步,對時間求平均,所獲得的哈密頓量為/^,艮P:
《二Xcos(wcos^^ + vsin^^) (3) 《 《
能面《的等高線《,",v^^給出系統(tǒng)的各種形狀和大小的閉合不變曲線 族。對于準規(guī)則斑圖,由于它是由均勻隨機網(wǎng)進行平滑而得到的,其圖形色彩 變化本身是平滑過渡的,這個特點恰使準規(guī)則斑圖最適合用于轉(zhuǎn)化為3D造型, 可以直接用于轉(zhuǎn)換。
快速成型設備采用HRPL系列(SLA)光固化快速成型系統(tǒng),其內(nèi)設有飾品 加工CAM軟件,為與CAM軟件接口 ,將3D閉合曲面轉(zhuǎn)化成快速成型設備能 識別的文件,該文件的格式為STL (記錄飾品的三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù))。STL的 文件格式有ASCII碼和二進制碼兩種輸出形式,可選擇其一。STL格式文件逐 個給出構(gòu)成實體表面的所有三角片的幾何信息;每個三角片的幾何信息包括三 角形所在平面的法矢量和3個頂點坐標,頂點的排列順序與法矢之間須遵循右 手法則。將STL文件導入HRPL系列(SLA)光固化快速成型系統(tǒng),進行飾品的成形加工,加工的材料可選擇塑料和光敏樹脂等。
處理弱混沌圖形的步驟包括裁剪弱混沌圖形區(qū)域;所述的將處理過的弱 混沌圖形生成3D點云的步驟為對裁剪的弱混沌圖形進行灰度轉(zhuǎn)換,由2D圖 像轉(zhuǎn)換成3D點云,其定義域為2D圖像的裁剪區(qū)域,而其點的高度為關于2D 圖像像素點的灰度值的函數(shù);接著,將生成的3D點云進行去噪處理。首先對 歩驟(一)生成的圖形進行區(qū)域裁剪以獲得所需設計飾品的外觀形狀。裁剪的 區(qū)域可以有矩形、(橢)圓形、多邊形、Bezier封閉曲線等。用鼠標交換操作, 對"感興趣"圖形區(qū)域的邊界進行勾勒裁剪,以獲得所需要的圖像。隨后,采 用經(jīng)驗公式gr^ = 0.2997 + 0.587G +0.1145,對所裁剪區(qū)域的圖像進行灰度轉(zhuǎn)換。
由2D圖像轉(zhuǎn)換的3D點云,其定義域為圖像像素點所在的區(qū)域,而其高度 則直接決定于圖像的灰度值,亦即2D圖像的灰度值與3D點云的高度值之間確 定了一個函數(shù)關系/n'gfe = ^gre力。為達到2D圖像與3D點云平滑意義上的一致
性以及便于弱混沌圖形相關參數(shù)的控制,該函數(shù)須具備遞增或遞減性。 一般可 根據(jù)所取高度的范圍選取線性函數(shù),即/^似=".^^ + &, (255》gre;^0)。在本發(fā) 明中,a = 1,6 = 0,10 "re"訓。
由于圖像函數(shù)是離散的,如此轉(zhuǎn)化后的圖形便轉(zhuǎn)化為3D點云模型。 2D圖像轉(zhuǎn)化為3D點云后,可能會出現(xiàn)一些噪聲。這時,可以運用各種濾 液方法進行降噪處理,例如可采用程式判別的自動濾波技術標準高斯、N點 平均濾波、中值濾波等,對點云鄰域內(nèi)實現(xiàn)噪聲點的平滑濾除。高斯濾波在指 定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布,其平均效果較小,故在濾波時能較好地保持原有數(shù) 據(jù)的形貌;平均濾波采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計平均值;中值濾 波采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值,這種濾波消除毛刺的效果較 好。
將3D點云進行網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟為首先將3D點云投影到 X-Y平面上,形成投影域點云,并根據(jù)其分布,對包含投影域點云的X-Y平面區(qū)域按橫向和縱向劃分成四邊形網(wǎng)格,然后對落在投影域內(nèi)的每個四邊形,選 擇其中一條邊連接以進行三角剖分,若四邊形中只有三個點落在投影域內(nèi),則 直接連接該三點;最后將完成三角剖分后的投影域網(wǎng)格,保持拓撲關系和原3D
點云坐標值不變,映射回3D空間,從而形成3D網(wǎng)格曲面。3D點云為散亂的空 間點的集合。由散亂點云重構(gòu)插值曲面,其方法的選取是影響造型形狀與特點 非常重耍的一步。結(jié)合生產(chǎn)實際的需要,以及考慮到三角網(wǎng)格建構(gòu)3D曲面的簡 便性,選用目前常用的重構(gòu)曲面方法——三角剖分法。由于生成的點云數(shù)據(jù), 其X-Y甲面上的點唯一對應于一個Z值,因此,三角剖分法便可采用平面域投 影法,即先在X-Y平面域上進行三角剖分,并利用球面準則或者多面體體積最 大準則等優(yōu)化準則選擇把那些點連接起來,然后將剖分結(jié)果投影到3D空間。
對大規(guī)模的點云數(shù)據(jù)進行三角剖分后,不但數(shù)據(jù)量顯得臃腫,而且難免出 現(xiàn)一些狹長三角形,使重構(gòu)曲面顯得不夠光順,尚需對網(wǎng)格曲面進行進一步的 優(yōu)化處理。
將3D點云曲面重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟還包括網(wǎng)格曲面優(yōu)化,網(wǎng)格曲面 優(yōu)化的步驟包括a)對三角進行交互操作、減少狹長三角形;b)刪除狹長的 或?qū)δP陀绊懶〉娜切?,簡化網(wǎng)格。采用幾何元素刪除法——基于二次誤差
測度的邊折疊簡化算法。該算法的基本思想是首先為原始網(wǎng)格中的每一個頂
點計算一個誤差矩陣,并且根據(jù)誤差矩陣計算出三角形網(wǎng)格中邊折疊的代價和 生成的新頂點的位置,然后根據(jù)折疊邊所付出代價的大小按照升序依次進行折 疊操作,折疊生成的新點的誤差矩陣為折疊邊的兩個頂點的誤差矩陣之和。既
能實現(xiàn)網(wǎng)格優(yōu)化又能保持模型精度,本發(fā)明中將簡化率控制在10%以內(nèi)。 將3D點云曲面重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟還包括網(wǎng)格光順,降低噪聲。 拉普拉斯光順法是一種網(wǎng)格光順算法。它通過對網(wǎng)格模型的每個頂點定義 一個拉普拉斯算子來確定一個調(diào)整方向和位移來調(diào)整網(wǎng)格。離散拉普拉斯算子可用以下公式描述丄(/)=+ i:("",),網(wǎng)格曲面的每個頂點經(jīng)過拉普拉斯算
子作用后調(diào)整為v,:=".+M 。
拉普拉斯算子光順技術能有效處理數(shù)據(jù)量較大的網(wǎng)格曲面,但是它會過度 光順尖銳特征和高頻率噪聲。為對模型進行更好的光順處理,亦可采用其它光 順算法例如改進拉普拉斯算法(HC算法),改進的加權(quán)法向中值濾波法、平 均曲率流[29]、雙向濾波法等。每種算法的光順效果不盡相同,為獲取不同的模 型效果,可運用不同的算法進行光順處理。
將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面的步驟為首先按點與點的連接順序搜 索出網(wǎng)格曲面最外圈所有的邊界點,然后往Z軸負方向拉伸邊界點,產(chǎn)生一圈 等高點,拉伸的長度大于等于零,并與原網(wǎng)格曲面最外圈的邊界點進行三角化; 然后構(gòu)造底座曲面。飾品的實際生產(chǎn)加工要求模型是一個實體,即封閉曲面, 而以卜.歩驟生成的模型僅是一個開曲面,因此還需將其轉(zhuǎn)化為封閉實體。
在構(gòu)造底座曲面時,若底座曲面為一個平面,則確定底座中心點并進行三 角化即可;
在構(gòu)造底座曲面時,若底座為對稱面,對原網(wǎng)格曲面的幾何與拓撲信息進 行對稱映射得到;
在構(gòu)造底座曲面時,若底面為與原曲面不同的曲面,則可先生成該曲面點云, 進行三角化后與原曲面進行拼接。
權(quán)利要求
1. 基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其步驟包括(一)、生成弱混沌圖形;(二)、處理弱混沌圖形,其特征在于(三)、將處理過的弱混沌圖形生成3D點云;(四)、對3D點云進行網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面;(五)、將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面;(六)、將3D閉合曲面轉(zhuǎn)化成快速成形設備能識別的文件,將該文件輸入快速成形設備進行成形加工,完成3D飾品的制備。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征在 于所述的處理弱混沌圖形的步驟包括裁剪弱混沌圖形區(qū)域;所述的將處理過 的弱混沌圖形生成3D點云的步驟為對裁剪的弱混沌圖形進行灰度轉(zhuǎn)換,由 2D圖像轉(zhuǎn)換成3D點云,其定義域為2D圖像的裁剪區(qū)域,而其點的高度為關 于2D圖像像素點的灰度值的函數(shù);接著,將生成的3D點云進行去噪處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特 征在于所述的將3D點云進行網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟為首先將3D點云 投影到X-Y平面上,形成投影域點云,并根據(jù)其分布,對包含投影域點云的X-Y 平面區(qū)域按橫向和縱向劃分成四邊形網(wǎng)格,然后對落在投影域內(nèi)的每個四邊形, 選擇其中條邊連接以進行三角剖分,若四邊形中只有三個點落在投影域內(nèi), 則直接連接該三點;最后將完成三角剖分后的投影域網(wǎng)格,保持拓撲關系和原 3D點云坐標值不變,映射回3D空間,從而形成3D網(wǎng)格曲面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征在 于所述的將3D點云曲面重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的步驟還包括網(wǎng)格曲面優(yōu)化,網(wǎng)格 曲面優(yōu)化的歩驟包括a)對三角進行交互操作、減少狹長三角形;b)刪除狹 長的或?qū)δP陀绊懶〉娜切?,簡化網(wǎng)格。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征在 于所述的將3D點云曲面重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面的歩驟還包括網(wǎng)格光順,降低噪聲。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特 征在于所述的將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面的步驟為首先按點與點的連接順序搜索出網(wǎng)格曲面最外圈所有的邊界點,然后往z軸負方向拉伸邊界點,產(chǎn)生一圈等高點,拉伸的長度大于等于零,并與原網(wǎng)格曲面最外圈的邊界點進行三角化;然后構(gòu)造底座曲面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征在 于所述的將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面的步驟為首先按點與點的連接順序搜索出網(wǎng)格曲面最外圈所有的邊界點,然后往z軸負方向拉伸邊界點,產(chǎn)生一圈等高點,拉伸的長度大于等于零,并與原網(wǎng)格曲面最外圈的邊界點進行三角化;然后構(gòu)造底座曲面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征在 于在構(gòu)造底座曲面時,若底座曲面為一個平面,則確定底座中心點并進行三角 化即可。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征在 于在構(gòu)造底座曲面時,若底座為對稱面,對原網(wǎng)格曲面的幾何與拓撲信息進行 對稱映射得到。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法,其特征 在于在構(gòu)造底座曲面時,若底面為與原曲面不同的曲面,則可先生成該曲面點 云,進行三角化后與原曲面進行拼接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于弱混沌圖形的3D飾品制備方法。其步驟包括(一)生成弱混沌圖形;(二)處理弱混沌圖形;(三)將處理過的弱混沌圖形生成3D點云;(四)對3D點云進行網(wǎng)格重構(gòu)形成網(wǎng)格曲面;(五)將網(wǎng)格曲面封閉形成3D閉合曲面;(六)將3D閉合曲面轉(zhuǎn)化成快速成型設備能識別的文件,將該文件輸入快速成型設備進行成形加工,完成3D飾品的制備。本發(fā)明具有突出的實質(zhì)性特點將2D弱混沌圖形運用曲面造型手段完3D飾品設計的3D閉合曲面,并將數(shù)據(jù)輸送到快速成型設備進行加工,設計速度快,所制備的飾品精度高,能使飾品設計突破人的靈感限制,圖形變化無窮無盡,有效地擴展了設計視野,形成的飾品外觀豐富新奇。
文檔編號G06T17/20GK101533530SQ200910097540
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者聿 張, 楓 袁, 耀 金 申請人:浙江理工大學