CN113285764A - 一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供了一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法。本发明通过应用蓝绿二维码及水下图像增强技术减轻由于海洋环境导致的图片退化现象，提高了通信信息传输的准确性；通过压缩图片平衡水下图像增强算法带来的时间延迟；通过建立“三维”蓝绿二维码显示阵列以及文本压缩提高通信速率；同时加入文本信息加密算法确保通信过程的安全性；并且本发明对水生生物友好，有利于生态保护。

Description

一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全 通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的资源，研究先进的海洋通信技术对我们认识以及利用海洋资源十分重要。目前海洋近距离通信技术主要包括水声通信、电磁波通信以及光通信，它们各有自己的优缺点。

水声通信的工作原理如下：发送端首先将文字、图片以及语音等信息通过电发送机转换为电信号，并由编码器将信息进行数字化处理，最后换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水介质层将信息传递到接收端，接收端的换能转换器将声信号变为电信号，继而解码器对数字信息进行解码，最后电接收机将信息变为文字、图片以及语音。由于声音的传播速度相对较慢，所以导致水声通信的带宽较低，延迟较高，并且水声通信不能保障通信的安全性。

由于大多数电磁波属于2.4G频段的横波，在陆上通信很适用，但是海水对于此频段的电磁波的吸收效应以及趋肤效应导致无线电波在海水中传播极受影响。

水下光通信大体可分为激光通信与可见光通信，基本原理是：发送端将语音信号或图像信号调制到激光光波或者可见光光束上，经水介质层传输到接收端，接收端经过解调还原语音信号及图片信号，从而完成通信。激光通信带宽很高，但是设备价格高昂并且由于其高能量密度容易灼伤皮肤、眼睛，故而不适用于水下水手之间的近距离通信。水下可见光通信是目前最适用于水下近距离的通信技术，但是目前已经实现的LED可见光通信存在着发射器与接收器对准问题、水下环境光干扰的问题以及通信安全的问题。本发明则设计了一种价格低廉并且可以保障通信安全的基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离通信方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法，以解决上述问题。

本发明的技术方案：

一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法，步骤如下：

(1)发送端：

(1.1)信息转化：将用户使用智能手机输入的语音信息转化为文本信息；

(1.2)文本分段：将文本信息(明文)分段并在每段文本头部插入序列号；

(1.3)文本加密：加密上一步骤的明文文本段，此时将明文变为密文；

(1.4)文本压缩：使用压缩算法对上一步骤的密文文本段进行处理；

(1.5)编码显示：将密文文本编码为QR(二维码的一种)，具体编码原则：数字每三个为一组压缩成10比特，字母与数字混合每两个为一组压缩成11比特，8比特字节数据无压缩直接保存，多字节数据中每一个字符压缩成13比特。首先对密文文本进行分析，确定要编码的字符类型，选择所需要的版本和纠错等级，然后采取既定规则，先后将数据字符转换为位流和码字，将生成的纠错码字加载数据码字后面，继而按照规则在每一块中放置数据和纠错码字，必要时加入剩余位，然后将寻像图形、分隔符、矫正图形与码字按照规则放入二维码矩阵中，然后用掩膜图形依次对编码区域的位图进行掩膜处理，选取最优的处理结果生成单张蓝绿二维码图片。重复上述过程，每帧图像由n*n({n|n∈R且n≥2})的二维码阵列构成，发送端手机屏幕顺序循环显示每帧图像，即实现了一种“三维”蓝绿二维码阵列显示方法。

(2)接收端：

(2.1)循环多线程扫描：接收端判断与发送端的距离后，自动调整扫描取景框内的放大倍数，对每一帧图像调用多线程扫描，并循环重复这一扫描过程；

(2.2)图像压缩：将扫描取景框获取的图像进行压缩，作为水下图像还原算法的输入，压缩具体步骤：首先将获取的图像的像素灰度值序列P_n分割为p₁,p₂,…,p_m共m段，然后通过动态规划算法找到最优子结构(最优分段)，其计算公式如下：

其中，s[i]是像素值(范围为0～256)序列{p₁,p₂,…,p_i}的最优分段所需要的存储位数，k表示s[i]为为前i-k个存储位数加上的存储空间个数，i与j的取值范围是[1,m]，b_max表示最优分段存储的像素位数；

(2.3)水下图像增强：海洋环境会使图片出现颜色退化以及对比度降低等现象，并且海洋对于水下图像采集存在一定的环境光的干扰，从而导致直接获取的图像呈模糊状，影响通信。通过应用基于融合算法的水下图像增强技术将模糊图像清晰化，提高接收端识别的准确率。具体算法如下：取每一帧图像进行白平衡处理结果作为输入一，取白平衡处理后的图像进行亮通道自适应直方图均衡化结果作为输入二，为输入一和输入二选取不同的权重，接下来进行融合处理。融合的具体流程为：将输入一和输入二的权重进行归一化，继而对图像进行拉普拉斯金字塔拆分，然后在每个金字塔层进行组合，最后将组合好的值恢复回原图；

(2.4)解码：依次对每帧图像的二维码阵列进行解码操作；

(2.5)文本解压缩：使用与发送端对应的解压算法对文本进行处理，得到密文文本信息；

(2.6)文本解密：使用与发送端对应的解密算法对密文文本进行处理，得到明文信息；

(2.7)拼接文本：根据每段文本头部的序列号将每帧文本依次拼接，还原原始文本信息；

(2.8)信息转化：将文本信息转化为声音信号，传送到接收端用户。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法。海洋环境下团队成员之间需要信息的交互，本发明首次将二维码通信应用于水下环境，改善了水下工作人员之间交流的局限性。本发明通过应用蓝绿二维码及水下图像增强技术减轻由于海洋环境导致的图片退化现象，提高了通信信息传输的准确性；通过压缩图片平衡水下图像增强算法带来的时间延迟；通过建立“三维”蓝绿二维码显示阵列以及文本压缩提高通信速率；同时加入文本信息加密算法确保通信过程的安全性；并且本发明对水生生物友好，有利于生态保护。

附图说明

图1为本发明实施例的应用场景示意图；

图2为本发明实施例的发送端流程图；

图3为本发明实施例的接收端流程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法，应用于水下环境下工作人员之间的近距离通信。水下环境下两个水手之间需要信息的交互，然而通过手势沟通传输的信息有限而且固定，同时还可能出现传输信息歧义的现象，所以此时需要一种直接明了的通信方式。如图1所示，需要主动传输信息的水手(即发送端)通过隔水设备通过智能手机发送语音信息，本发明将声音信号进行一系列处理，最终生成并显示“三维”蓝绿二维码阵列。接收信息的水手(即接收端)通过调用智能手机自带的摄像头循环扫描发送端二维码，然后接收端进行一系列处理最终还原原本信息。本发明发送端的流程图如图2所示，首先将发送端用户输入的声音信号转化为文本信息；然后将文本信息有序分段；随后将上一步骤的文本段进行加密，得到密文文本段；继而将密文文本段进行压缩；最后对密文进行编码并显示在“三维”蓝绿二维码阵列中。本发明的接收端流程图如图3所示，首先接收端用户调用智能手机自带摄像头进行循环扫描；由于水下环境影响，获取每帧图像均为模糊图像；然后对每帧模糊图像进行压缩；应用水下图像增强技术对每帧图像进行处理，得到清晰图像；然后对“三维”蓝绿二维码阵列进行解码；对接码后的文本段解压缩；对解压后的密文文本段进行解密，得到明文文本段；根据序列号将明文文本段进行有序拼接，还原原始信息；最后将文本信息转化为语音信号，传输给接收端用户。从而实现基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法。

综上所述：本发明提出了一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法。海洋环境下团队成员之间需要信息的交互，本发明首次将二维码通信应用于水下环境，改善了水下工作人员之间交流的局限性。本发明通过应用蓝绿二维码及水下图像增强技术减轻由于海洋环境导致的图片退化现象，提高了通信信息传输的准确性；通过压缩图片平衡水下图像增强算法带来的时间延迟；通过建立“三维”蓝绿二维码显示阵列以及文本压缩提高通信速率；同时加入文本信息加密算法确保通信过程的安全性；并且本发明对水生生物友好，有利于生态保护。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于水下图像增强技术的“三维”蓝绿二维码近距离安全通信方法，其特征在于，步骤如下：

(1)发送端：

(1.1)信息转化：将用户使用智能手机输入的语音信息转化为文本信息；

(1.2)文本分段：将文本信息分段，并在每段文本头部插入序列号；

(1.3)文本加密：加密上一步骤的明文文本段，此时将明文变为密文；

(1.4)文本压缩：使用压缩算法对上一步骤的密文文本段进行处理；

(1.5)编码显示：将密文文本编码为QR，具体编码原则：数字每三个为一组压缩成10比特，字母与数字混合每两个为一组压缩成11比特，8比特字节数据无压缩直接保存，多字节数据中每一个字符压缩成13比特；首先对密文文本进行分析，确定要编码的字符类型，选择所需要的版本和纠错等级，然后采取既定规则，先后将数据字符转换为位流和码字，将生成的纠错码字加载数据码字后面，继而按照规则在每一块中放置数据和纠错码字，必要时加入剩余位，然后将寻像图形、分隔符、矫正图形与码字按照规则放入二维码矩阵中，然后用掩膜图形依次对编码区域的位图进行掩膜处理，选取最优的处理结果生成单张蓝绿二维码图片；重复上述过程，每帧图像由n*n的二维码阵列构成，发送端手机屏幕顺序循环显示每帧图像，即实现了一种“三维”蓝绿二维码阵列显示方法；其中，{n|n∈R且n≥2}；

(2)接收端：

(2.1)循环多线程扫描：接收端判断与发送端的距离后，自动调整扫描取景框内的放大倍数，对每一帧图像调用多线程扫描，并循环重复这一扫描过程；

(2.2)图像压缩：将扫描取景框获取的图像进行压缩，作为水下图像还原算法的输入，压缩具体步骤：首先将获取的图像的像素灰度值序列P_n分割为p₁,p₂,…,p_m，共m段，然后通过动态规划算法找到最优子结构，其计算公式如下：

其中，s[i]是范围为0～256像素值序列{p₁,p₂,…,p_i}的最优分段所需要的存储位数，k表示s[i]为前i-k个存储位数加上的存储空间个数，i与j的取值范围是[1,m]，b_max表示最优分段存储的像素位数；

(2.3)水下图像增强：通过应用基于融合算法的水下图像增强技术将模糊图像清晰化，提高接收端识别的准确率；具体算法如下：取每一帧图像进行白平衡处理结果作为输入一，取白平衡处理后的图像进行亮通道自适应直方图均衡化结果作为输入二，为输入一和输入二选取不同的权重，接下来进行融合处理；融合的具体流程为：将输入一和输入二的权重进行归一化，继而对图像进行拉普拉斯金字塔拆分，然后在每个金字塔层进行组合，最后将组合好的值恢复回原图；

(2.4)解码：依次对每帧图像的二维码阵列进行解码操作；

(2.5)文本解压缩：使用与发送端对应的解压算法对文本进行处理，得到密文文本信息；

(2.6)文本解密：使用与发送端对应的解密算法对密文文本进行处理，得到明文信息；

(2.7)拼接文本：根据每段文本头部的序列号将每帧文本依次拼接，还原原始文本信息；

(2.8)信息转化：将文本信息转化为声音信号，传送到接收端用户。

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