[发明专利]一种适用于水下通信二维码的设计方法及系统

权利要求书

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。