CN113869475A - 一种适用于水下通信二维码的设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于水下通信二维码的设计方法及系统，通过增大QR码的定位图形，使得首发双端在水下浮动的情况下，发送端的UQR码能够被迅速扫描定位；通过增加纠错码数量抵抗水下生物遮挡的情况，提升水下UQR码通信的鲁棒性；考虑到UQR码在水下以显示屏为载体，不会出现曲折扭曲的情况，所以删除扭曲校正部分的编码，保留倾斜图形校正部分的编码，在不影响UQR码校正功能的同时，增加UQR码数据编码空间。同时，观察到不同水质由于对光的吸收的反射作用的不同而呈现不同的颜色，UQR在不同水质环境下的背景颜色是不同的，所以根据水质颜色改变UQR模块颜色，使得背景颜色与UQR码模块间的灰度差值尽可能大，从而达到快速解码的目的。

Description

一种适用于水下通信二维码的设计方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于水下通信二维码的设计方法及系统。

背景技术

QR码是1994年由原昌宏在日本的研究团队发明的，最初设计用于汽车生产和追溯。QR码包含功能模块和编码模块。功能模块包括位置检测模块、位置检测模块的分隔符、定时模块和对齐模块。编码模块由数据和纠错码、版本信息、格式信息三个模块组成。近几年，QR码被广泛应用于医疗、广告、产品标签、支付以及通信领域，是目前应用最广泛的一种二维码。QR码在通讯方面有很多显着的优势：

(1)用很小的空间可以存储大量的信息。QR码使用竖直方向和水平方向来处理数据。当和一维条形码存储相同数量的数据时，二维码只占用条码的十分之一左右的空间。QR码根据存储数据量的多少可分为1～40个版本，单张QR码可以编码的比特数(N)的计算公式为：

N＝D×D

D＝21+(V-1)×4 (1)

其中D表示一维方向(竖直方向或者水平方向)编码的比特数量，21为一版本QR码中一维方向最多可编码的比特数量，V代表版本数，V∈[2,40]，4代表QR码每增加一个版本，每个维度增加4个比特的编码字符，根据公式，单张QR码最多存储的比特数是31329，满足通信吞吐量大这一要求，并且QR码编码的数据类型丰富，包括数字、英文字母、日文字母、汉字、二进制等。

(2)360度任意方向均可扫描解码。在QR码的左上、右上以及左下的角落位置，有三个回字形的定位图案，其黑白部分的宽度比为1：1：3：1：1，这一特殊的结构可以使通信接收端无论从哪个方向扫描，只要扫描到1:1:3:1:1的特殊比例，就可以进行解码接收信息。简化了通信过程，使得通信的发送端与接收端的相对位置更加灵活。

(3)鲁棒性强。QR码有四个纠错码等级：L(可纠正7％的码)、M(可纠正15％的码)、Q(可纠正25％的码)和H(30％的代码可以更正)。因此，在通信过程中，即使部分QR码被其他物体遮挡或损坏，只要在纠错等级可恢复的范围内，接收端仍然可以正确解码发送端的数据信息。同时，QR码的误码率(BER)极低，只有10^-7使得解码的准确率更高、通信鲁棒性更强。

基于QR码的通信技术目前已经成为研究的热点问题。Tian Hao等人在2012年提出了COBRA系统，可以实现高速条码流传输，但是COBRA系统需要高度定制的条码，并且COBRA没有考虑通信的安全性。许多研究人员致力于提高QR码通信的安全性。B Zhang等人在2014年提出SBVLC系统，其中纳入了安全机制。但是SBVLC系统的峰值吞吐量只能达到70kbps左右。并且为了保证通信的安全性，发送方和接收方的距离要求非常接近，只有17厘米。SinRong Toh等人提出了复用彩色QR码的方案来提高通信的吞吐量，但他们的解码率和解码时间开销无法同时达到最优。当他们使用Nexus 4作为接收器，使用Note 2作为发送器时，解码时间成本约为79.8s，此时解码率为100％。而当他们使用Note 2作为接收器，Nexus 4作为发送器时，解码时间缩短了约为50.7s，但是解码率急剧下降至40％。Zhao等人在2020年提出了SCsec系统，其吞吐量为62～193kbps，解码率为90％。然而，上述系统只适用于空气环境，目前还没有基于QR码的水下通信研究。

相比于空气，水下环境更加恶劣也更加复杂。海水中含有大量的有机物和无机物，使得水下可视距离急剧缩短。另外，海洋生物的自由游动会造成发送器和接收器之间出现一定程度的遮挡。水下环境还存在自然光(如阳光)和人造光(如探照灯)的干扰，而且，由于地球自转产生的偏转力，海水不断浮动，会使发射器和接收器产生相对位移，导致我们无法确定这些干扰光的具体位置。上述问题使得直接借助QR码在水下进行通信变得十分困难。

发明内容

本发明的目的是设计了一种适用于水下无线通信的QR码(UQR码)，并提出一种基于UQR码的应用层的水下无线通信方法，以解决上述问题。本发明的技术方案：

一种适用于水下通信二维码的设计方法，UQR码在保留QR通信的同时，改进使其适用于水下的通信环境，设计方法如下：

(1)增大定位图形：UQR码中的左上、右上、左下的回型定位模块增大至QR的m倍，其中m≥2，m∝V，V∈[2,40]表示UQR码的版本数；

(2)增加纠错码：QR码有L、M、Q、H四个纠错等级，分别抵抗QR码7％、15％、25％、30％的损毁及遮挡，纠错码值的计算规则如下：

(2.1)用D＝{D₁,D₂,...D_n}表示编码的数据序列，其中n∈R⁺，计算生成多项式GP和数据多项式DP:

GP＝(x-α)⁰×(x-α)¹×...×(x-α)^N-1

DP＝D₁x^n-1+D₂x^n-2+...+D_nx⁰ (2)

其中，N是纠错码字的数量，N∈R且N≥1，x是一个标记不具有实际意义，α是常数，取值为2；

(2.2)将生成多项式和数据多项式的项数化为相同，项数少的用0补齐。展开生成多项式，生成多项式项数为

数据多项式的项数为NT_DP＝N：

其中，ZP是k项0，k为生成多项式项数与数据多项式项数的差值；

(2.3)将生成多项式的首项化为与数据多项式的首项相同；用GC＝{GC₁,GC₂,...GC_n}表示生成多项式展开后的各项系数，将整个生成多项式每项系数

得到新的生成多项式系数序列GC_new，生成多项式的每个x的幂次为数据多项式首项x的幂次与生成多项式首项x的幂次的差值，得到新的生成多项式G_new；

(2.4)将新的生成多项式的每项系数GC_new与数据多项式的每项系数D进行异或运算消去首项：

GC_new XOR D (4)

(2.5)重复2.2-2.4步骤，当消去数据多项式的所有项后，生成多项式的每一项系数为纠错码的值的序列。

(3)修改校正图形：QR码中间的等距分布的六个小回型图案为校正图形，其功能包括倾斜图形校正和QR码扭曲校正，由于通信方案中将UQR码放置在显示屏上，不存在UQR码扭曲的情况，因此，保留倾斜图形校正部分的编码，删除扭曲校正部分的编码；修正后，增加了数据编码的存储空间；

(4)根据水质颜色改变UQR模块颜色：QR码由黑白模块组成，在空气中，QR码的背景颜色大部分为白色或无色，使得编码模块之间、背景颜色和编码模块之间在灰度值差值尽可能大，灰度公式如下：

其中，R、G、B分别代表一种颜色的红色通道、绿色通道以及蓝色通道的数值；由于水下对不同色道的光的吸收程度不同以及水中分散质的不同，所以不同水质的颜色是不同的；考虑到在不同的水质下，UQR码的背景颜色不同，根据不同的背景颜色选择与背景颜色灰度差最大的颜色作为UQR码外层模块的颜色，然后选取背景颜色作为UQR码内层模块的颜色。

一种应用层的基于UQR码的水下无线通信系统，包括发送端和接收端：

(1)发送端：系统首先将用户的语音信息转化为文本数据，对文本数据进行分析，确定要编码的字符类型，根据文本数据的字符数量选择所需要的UQR的版本和纠错等级，将数据字符转换为位流和码字，而后将生成的纠错码字加载数据码字后面，在UQR码的每一块中放置数据码字和纠错码字，然后将增大的定位图形、分隔符与码字放入二维码矩阵中，最后用掩膜图形对编码区域的位图进行掩膜处理，生成UQR码并在显示在屏幕上。

(2)接收端：接收端扫描到UQR码的定位符后，自动放大取景框内的UQR图像，并调用照相机进行拍摄。系统对拍摄的图片依次进行预处理：

(2.1)利用霍夫变换进行图形倾斜校正。由于地球自转，海水会随之浮动，这会导致接收端拍摄的UQR码图片呈现倾斜和变形的情况，此校正的目的是为了恢复倾斜和变形的图片，便于后续解码；

(2.2)图片清晰化；水下是一个复杂的分散系，包含许多有机物和无机物，导致水下环境拍摄的图片不清晰，同时，首发双端在水下环境不断波动，这会导致拍摄的图片产生拖影，进一步使得图像模糊；首先对图像进行锐化处理，补偿图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得清晰；同时，采取水下拍摄的不同抖动的模糊图片作为数据集，通过XGBoost机器学习模型训练，将水下收发双端的移动模型归类成线性运动、弧形运动、旋转运动和Z字形运动，然后根据退化模型做逆行变化还原图像，得到清晰化的UQR码图像；

(2.3)平衡干扰光。水下环境存在人造光源以及自然光对UQR码通信过程造成干扰；结合自适应阈值的思想对传统的基于wall开发的根据背景亮度动态计算阈值的二值化算法进行改进，首先把图片分块细化，调成16*16，计算每块的阈值，然后对于每个块来说，用包括此块和其周围块的阈值计算出一个平均的阈值，作为每一块的阈值；

系统对预处理后的图片根据发送端编码的逆过程进行解码，得到文本信息，最后，将文本信息转化为语音并播放。

本发明的有益效果：本发明设计了一种适用于水下无线通信的QR码(UQR码)，并提出一种基于UQR码的应用层的水下无线通信方法。本发明通过增大QR码的定位图形，使得首发双端在水下浮动的情况下，发送端的UQR码能够被迅速扫描定位；通过增加纠错码数量抵抗水下生物遮挡的情况，提升水下UQR码通信的鲁棒性；考虑到UQR码在水下以显示屏为载体，所以不会出现曲折扭曲的情况，所以删除扭曲校正部分的编码，保留倾斜图形校正部分的编码，在不影响UQR码校正功能的同时，增加UQR码数据编码空间。同时，观察到不同水质由于对光的吸收的反射作用的不同而呈现不同的颜色，这意味着UQR在不同水质环境下的背景颜色是不同的，所以根据水质颜色改变UQR模块颜色，使得背景颜色与UQR码模块间的灰度差值尽可能大，从而达到快速解码的目的。同时，本发明提出一种基于UQR码的应用层的水下无线通信方法，发送端将潜水员的语音信息离线转化为文本信息，然后将文本信息编码为UQR码并显示；接收端扫描到UQR码的定位符后，自动放大取景框内的UQR图像，并调用照相机进行拍摄，而后通过霍夫变换、改进的图片清晰化处理以及改进的自适应阈值的二值化算法，得到清晰化的图片，根据编码端的逆过程进行解码得到文本信息，最后将文本信息转化为语音并播放。为水下团队成员之间及船上成员与水下成员之间提供一种有效的通信方法。

附图说明

图1(a)为QR码,(b)为QR码的一个定位符；

图2为本发明的UQR码；

图3为本发明基于UQR码的通信系统流程图；

图4为本发明基于UQR码的通信方法的实施例应用场景图；

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UQR码的应用层的水下无线通信方法。基于UQR码的水下通信系统是一种应用层通信方法，可以使潜水员之间进行信息的交互，同时船上成员也可以通过本系统向水下成员实时发送指令。需要主动传输信息的潜水员(或者船上成员)通过配有隔水膜的智能手机发送语音信息，本发明将声音信号转化文本信息，而后编码生成UQR码并显示在手机屏幕(或者电子显示屏)上。接收信息的潜水员通过调用智能手机自带的摄像头扫描到UQR码的定位符后，自动放大取景框内的UQR图像，并进行拍摄，然后接收端多所获得的图片进行霍夫变换、改进的图片清晰化处理以及改进的自适应阈值的二值化算法，得到清晰化的图片，根据编码端的逆过程进行解码得到文本信息，最后将文本信息转化为语音并播放给接收端潜水员。

综上所述：本发明设计了一种适用于水下无线通信的QR码(UQR码)，并提出一种基于UQR码的应用层的水下无线通信方法。本发明通过增大QR码的定位图形，使得首发双端在水下浮动的情况下，发送端的UQR码能够被迅速扫描定位；通过增加纠错码数量抵抗水下生物遮挡的情况，提升水下UQR码通信的鲁棒性；考虑到UQR码在水下以显示屏为载体，所以不会出现曲折扭曲的情况，所以我们删除扭曲校正部分的编码，保留倾斜图形校正部分的编码，在不影响UQR码校正功能的同时，增加UQR码数据编码空间。同时，观察到不同水质由于对光的吸收的反射作用的不同而呈现不同的颜色，所以我们根据水质颜色选择UQR模块颜色，使得背景颜色与UQR码模块间的灰度差值尽可能大，从而达到快速解码的目的。同时，本发明提出一种基于UQR码的应用层的水下无线通信方法，使得水下环境团队成员之间以及船上与水下成员之间实时地进行信息交互。

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 (2)

1.一种适用于水下通信二维码的设计方法，UQR码在保留QR通信的同时，改进使其适用于水下的通信环境，其特征在于，设计方法如下：

(1)增大定位图形：UQR码中的左上、右上、左下的回型定位模块增大至QR的m倍，其中m≥2，m∝V，V∈[2,40]表示UQR码的版本数；

(2)增加纠错码：QR码有L、M、Q、H四个纠错等级，分别抵抗QR码7％、15％、25％、30％的损毁及遮挡，纠错码值的计算规则如下：

(2.1)用D＝{D₁,D₂,...D_n}表示编码的数据序列，其中n∈R⁺，计算生成多项式GP和数据多项式DP：

GP＝(x-α)⁰×(x-α)¹×...×(x-α)^N-1

DP＝D₁x^n-1+D₂x^n-2+...+D_nx⁰ (2)

其中，N是纠错码字的数量，N∈R且N≥1，x是一个标记不具有实际意义，α是常数，取值为2；

(2.2)将生成多项式和数据多项式的项数化为相同，项数少的用0补齐；展开生成多项式，生成多项式项数为

数据多项式的项数为NT_DP＝N：

其中，ZP是k项0，k为生成多项式项数与数据多项式项数的差值；

(2.3)将生成多项式的首项化为与数据多项式的首项相同；用GC＝{GC₁,GC₂,...GC_n}表示生成多项式展开后的各项系数，将整个生成多项式每项系数

得到新的生成多项式系数序列GC_new，生成多项式的每个x的幂次为数据多项式首项x的幂次与生成多项式首项x的幂次的差值，得到新的生成多项式G_new；

(2.4)将新的生成多项式的每项系数GC_new与数据多项式的每项系数D进行异或运算消去首项：

GC_new XOR D (4)

(2.5)重复(2.2)-(2.4)步骤，当消去数据多项式的所有项后，生成多项式的每一项系数为纠错码的值的序列；

(3)修改校正图形：QR码中间的等距分布的六个小回型图案为校正图形，包括倾斜图形校正和QR码扭曲校正，由于通信方案中将UQR码放置在显示屏上，不存在UQR码扭曲的情况，因此，保留倾斜图形校正部分的编码，删除扭曲校正部分的编码；修正后，增加了数据编码的存储空间；

(4)根据水质颜色改变UQR模块颜色：QR码由黑白模块组成，在空气中，QR码的背景颜色大部分为白色或无色，使得编码模块之间、背景颜色和编码模块之间在灰度值差值尽可能大，灰度公式如下：

其中，R、G、B分别代表一种颜色的红色通道、绿色通道以及蓝色通道的数值；由于水下对不同色道的光的吸收程度不同以及水中分散质的不同，所以不同水质的颜色是不同的；考虑到在不同的水质下，UQR码的背景颜色不同，根据不同的背景颜色选择与背景颜色灰度差最大的颜色作为UQR码外层模块的颜色，然后选取背景颜色作为UQR码内层模块的颜色。

2.一种应用层的基于UQR码的水下无线通信系统，其特征在于，该水下无线通信系统包括发送端和接收端：

(1)发送端：系统首先将用户的语音信息转化为文本数据，对文本数据进行分析，确定要编码的字符类型，根据文本数据的字符数量选择所需要的UQR的版本和纠错等级，将数据字符转换为位流和码字，而后将生成的纠错码字加载数据码字后面，在UQR码的每一块中放置数据码字和纠错码字，然后将增大的定位图形、分隔符与码字放入二维码矩阵中，最后用掩膜图形对编码区域的位图进行掩膜处理，生成UQR码并在显示在屏幕上；

(2)接收端：接收端扫描到UQR码的定位符后，自动放大取景框内的UQR图像，并调用照相机进行拍摄；系统对拍摄的图片依次进行预处理：

(2.1)利用霍夫变换进行图形倾斜校正；由于地球自转，海水会随之浮动，这会导致接收端拍摄的UQR码图片呈现倾斜和变形的情况，此校正的目的是为了恢复倾斜和变形的图片，便于后续解码；

(2.2)图片清晰化；水下是一个复杂的分散系，包含许多有机物和无机物，导致水下环境拍摄的图片不清晰，同时，首发双端在水下环境不断波动，这会导致拍摄的图片产生拖影，进一步使得图像模糊；首先对图像进行锐化处理，补偿图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得清晰；同时，采取水下拍摄的不同抖动的模糊图片作为数据集，通过XGBoost机器学习模型训练，将水下收发双端的移动模型归类成线性运动、弧形运动、旋转运动和Z字形运动，然后根据退化模型做逆行变化还原图像，得到清晰化的UQR码图像；

(2.3)平衡干扰光；水下环境存在人造光源以及自然光对UQR码通信过程造成干扰；结合自适应阈值的思想对传统的基于wall开发的根据背景亮度动态计算阈值的二值化算法进行改进，首先把图片分块细化，调成16*16，计算每块的阈值，然后对于每个块来说，用包括此块和其周围块的阈值计算出一个平均的阈值，作为每一块的阈值；

系统对预处理后的图片根据发送端编码的逆过程进行解码，得到文本信息，最后，将文本信息转化为语音并播放。

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