[发明专利]一种适用于水下通信二维码的设计方法及系统

说明书

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。

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。