TensorFlow验证码识别

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作者：崔庆才，Python技术控，爬虫博文访问量已过百万。喜欢钻研，热爱生活，乐于分享。《Python3网络爬虫开发实战》书籍作者。
个人博客：静觅 | http://cuiqingcai.com

本节我们来用 TensorFlow 来实现一个深度学习模型，用来实现验证码识别的过程，这里我们识别的验证码是图形验证码，首先我们会用标注好的数据来训练一个模型，然后再用模型来实现这个验证码的识别。

验证码

首先我们来看下验证码是怎样的，这里我们使用 Python 的 captcha 库来生成即可，这个库默认是没有安装的，所以这里我们需要先安装这个库，另外我们还需要安装 pillow 库，使用 pip3 即可：

pip3 install captcha pillow

安装好之后，我们就可以用如下代码来生成一个简单的图形验证码了：

from captcha.image import ImageCaptcha from PIL import Image text = '1234' image = ImageCaptcha() captcha = image.generate(text) captcha_image = Image.open(captcha) captcha_image.show()

运行之后便会弹出一张图片，结果如下：

可以看到图中的文字正是我们所定义的 text 内容，这样我们就可以得到一张图片和其对应的真实文本，这样我们就可以用它来生成一批训练数据和测试数据了。

预处理

在训练之前肯定是要进行数据预处理了，现在我们首先定义好了要生成的验证码文本内容，这就相当于已经有了 label 了，然后我们再用它来生成验证码，就可以得到输入数据 x 了，在这里我们首先定义好我们的输入词表，由于大小写字母加数字的词表比较庞大，设想我们用含有大小写字母和数字的验证码，一个验证码四个字符，那么一共可能的组合是 (26 + 26 + 10) ^ 4 = 14776336 种组合，这个数量训练起来有点大，所以这里我们精简一下，只使用纯数字的验证码来训练，这样其组合个数就变为 10 ^ 4 = 10000 种，显然少了很多。

所以在这里我们先定义一个词表和其长度变量：

VOCAB = ['0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9'] CAPTCHA_LENGTH = 4 VOCAB_LENGTH = len(VOCAB)

这里 VOCAB 就是词表的内容，即 0 到 9 这 10 个数字，验证码的字符个数即 CAPTCHA_LENGTH 是 4，词表长度是 VOCAB 的长度，即 10。

接下来我们定义一个生成验证码数据的方法，流程类似上文，只不过这里我们将返回的数据转为了 Numpy 形式的数组：

from PIL import Image from captcha.image import ImageCaptcha import numpy as np def generate_captcha(captcha_text):   """   get captcha text and np array   :param captcha_text: source text   :return: captcha image and array   """   image = ImageCaptcha()   captcha = image.generate(captcha_text)   captcha_image = Image.open(captcha)   captcha_array = np.array(captcha_image)   return captcha_array

这样调用此方法，我们就可以得到一个 Numpy 数组了，这个其实是把验证码转化成了每个像素的 RGB，我们调用一下这个方法试试：

captcha = generate_captcha('1234') print(captcha, captcha.shape)

内容如下：

[[[239 244 244] [239 244 244] [239 244 244] ..., ..., [239 244 244] [239 244 244] [239 244 244]]] (60, 160, 3)

可以看到它的 shape 是 (60, 160, 3)，这其实代表验证码图片的高度是 60，宽度是 160，是 60 x 160 像素的验证码，每个像素都有 RGB 值，所以最后一维即为像素的 RGB 值。

接下来我们需要定义 label，由于我们需要使用深度学习模型进行训练，所以这里我们的 label 数据最好使用 One-Hot 编码，即如果验证码文本是 1234，那么应该词表索引位置置 1，总共的长度是 40，我们用程序实现一下 One-Hot 编码和文本的互相转换：

def text2vec(text):    """    text to one-hot vector    :param text: source text    :return: np array    """    if len(text) > CAPTCHA_LENGTH:        return False    vector = np.zeros(CAPTCHA_LENGTH * VOCAB_LENGTH)    for i, c in enumerate(text):        index = i * VOCAB_LENGTH + VOCAB.index(c)        vector[index] = 1    return vector def vec2text(vector):    """    vector to captcha text    :param vector: np array    :return: text    """    if not isinstance(vector, np.ndarray):        vector = np.asarray(vector)    vector = np.reshape(vector, [CAPTCHA_LENGTH, -1])    text = ''    for item in vector:        text += VOCAB[np.argmax(item)]    return text

这里 text2vec() 方法就是将真实文本转化为 One-Hot 编码，vec2text() 方法就是将 One-Hot 编码转回真实文本。

例如这里调用一下这两个方法，我们将 1234 文本转换为 One-Hot 编码，然后在将其转回来：

vector = text2vec('1234') text = vec2text(vector) print(vector, text)

运行结果如下：

[ 0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.  0.  0. 0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.  0. 0.  0.  0.  0.] 1234

这样我们就可以实现文本到 One-Hot 编码的互转了。

接下来我们就可以构造一批数据了，x 数据就是验证码的 Numpy 数组，y 数据就是验证码的文本的 One-Hot 编码，生成内容如下：

import random from os.path import join, exists import pickle import numpy as np from os import makedirs DATA_LENGTH = 10000 DATA_PATH = 'data' def get_random_text():   text = ''   for i in range(CAPTCHA_LENGTH):       text += random.choice(VOCAB)   return text def generate_data():   print('Generating Data...')   data_x, data_y = [], []   # generate data x and y   for i in range(DATA_LENGTH):       text = get_random_text()       # get captcha array       captcha_array = generate_captcha(text)       # get vector       vector = text2vec(text)       data_x.append(captcha_array)       data_y.append(vector)   # write data to pickle   if not exists(DATA_PATH):       makedirs(DATA_PATH)   x = np.asarray(data_x, np.float32)   y = np.asarray(data_y, np.float32)   with open(join(DATA_PATH, 'data.pkl'), 'wb') as f:       pickle.dump(x, f)       pickle.dump(y, f)

这里我们定义了一个 getrandomtext() 方法，可以随机生成验证码文本，然后接下来再利用这个随机生成的文本来产生对应的 x、y 数据，然后我们再将数据写入到 pickle 文件里，这样就完成了预处理的操作。

构建模型

有了数据之后，我们就开始构建模型吧，这里我们还是利用 traintestsplit() 方法将数据分为三部分，训练集、开发集、验证集：

with open('data.pkl', 'rb') as f:   data_x = pickle.load(f)   data_y = pickle.load(f)   return standardize(data_x), data_y train_x, test_x, train_y, test_y = train_test_split(data_x, data_y, test_size=0.4, random_state=40) dev_x, test_x, dev_y, test_y, = train_test_split(test_x, test_y, test_size=0.5, random_state=40)

接下来我们使用者三个数据集构建三个 Dataset 对象：

# train and dev dataset train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((train_x, train_y)).shuffle(10000) train_dataset = train_dataset.batch(FLAGS.train_batch_size) dev_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((dev_x, dev_y)) dev_dataset = dev_dataset.batch(FLAGS.dev_batch_size) test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((test_x, test_y)) test_dataset = test_dataset.batch(FLAGS.test_batch_size)

然后初始化一个迭代器，并绑定到这个数据集上：

# a reinitializable iterator iterator = tf.data.Iterator.from_structure(train_dataset.output_types, train_dataset.output_shapes) train_initializer = iterator.make_initializer(train_dataset) dev_initializer = iterator.make_initializer(dev_dataset) test_initializer = iterator.make_initializer(test_dataset)

接下来就是关键的部分了，在这里我们使用三层卷积和两层全连接网络进行构造，在这里为了简化写法，直接使用 TensorFlow 的 layers 模块：

# input Layer with tf.variable_scope('inputs'):   # x.shape = [-1, 60, 160, 3]   x, y_label = iterator.get_next() keep_prob = tf.placeholder(tf.float32, []) y = tf.cast(x, tf.float32) # 3 CNN layers for _ in range(3):   y = tf.layers.conv2d(y, filters=32, kernel_size=3, padding='same', activation=tf.nn.relu)   y = tf.layers.max_pooling2d(y, pool_size=2, strides=2, padding='same')   # y = tf.layers.dropout(y, rate=keep_prob) # 2 dense layers y = tf.layers.flatten(y) y = tf.layers.dense(y, 1024, activation=tf.nn.relu) y = tf.layers.dropout(y, rate=keep_prob) y = tf.layers.dense(y, VOCAB_LENGTH)

这里卷积核大小为 3，padding 使用 SAME 模式，激活函数使用 relu。

经过全连接网络变换之后，y 的 shape 就变成了 [batchsize, nclasses]，我们的 label 是 CAPTCHALENGTH 个 One-Hot 向量拼合而成的，在这里我们想使用交叉熵来计算，但是交叉熵计算的时候，label 参数向量最后一维各个元素之和必须为 1，不然计算梯度的时候会出现问题。详情参见 TensorFlow 的官方文档：https://www.tensorflow.org/apidocs/python/tf/nn/softmaxcrossentropywithlogits：

NOTE: While the classes are mutually exclusive, their probabilities need not be. All that is required is that each row of labels is a valid probability distribution. If they are not, the computation of the gradient will be incorrect.

但是现在的 label 参数是 CAPTCHALENGTH 个 One-Hot 向量拼合而成，所以这里各个元素之和为 CAPTCHALENGTH，所以我们需要重新 reshape 一下，确保最后一维各个元素之和为 1：

y_reshape = tf.reshape(y, [-1, VOCAB_LENGTH]) y_label_reshape = tf.reshape(y_label, [-1, VOCAB_LENGTH])

这样我们就可以确保最后一维是 VOCAB_LENGTH 长度，而它就是一个 One-Hot 向量，所以各元素之和必定为 1。

然后 Loss 和 Accuracy 就好计算了：

# loss cross_entropy = tf.reduce_sum(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y_reshape, labels=y_label_reshape)) # accuracy max_index_predict = tf.argmax(y_reshape, axis=-1) max_index_label = tf.argmax(y_label_reshape, axis=-1) correct_predict = tf.equal(max_index_predict, max_index_label) accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_predict, tf.float32))

再接下来执行训练即可：

# train train_op = tf.train.RMSPropOptimizer(FLAGS.learning_rate).minimize(cross_entropy, global_step=global_step) for epoch in range(FLAGS.epoch_num):   tf.train.global_step(sess, global_step_tensor=global_step)   # train   sess.run(train_initializer)   for step in range(int(train_steps)):       loss, acc, gstep, _ = sess.run([cross_entropy, accuracy, global_step, train_op],                                      feed_dict={keep_prob: FLAGS.keep_prob})       # print log       if step % FLAGS.steps_per_print == 0:           print('Global Step', gstep, 'Step', step, 'Train Loss', loss, 'Accuracy', acc)   if epoch % FLAGS.epochs_per_dev == 0:       # dev       sess.run(dev_initializer)       for step in range(int(dev_steps)):           if step % FLAGS.steps_per_print == 0:               print('Dev Accuracy', sess.run(accuracy, feed_dict={keep_prob: 1}), 'Step', step)

在这里我们首先初始化 traininitializer，将 iterator 绑定到 Train Dataset 上，然后执行 trainop，获得 loss、acc、gstep 等结果并输出。

训练

运行训练过程，结果类似如下：

... Dev Accuracy 0.9580078 Step 0 Dev Accuracy 0.9472656 Step 2 Dev Accuracy 0.9501953 Step 4 Dev Accuracy 0.9658203 Step 6 Global Step 3243 Step 0 Train Loss 1.1920928e-06 Accuracy 1.0 Global Step 3245 Step 2 Train Loss 1.5497207e-06 Accuracy 1.0 Global Step 3247 Step 4 Train Loss 1.1920928e-06 Accuracy 1.0 Global Step 3249 Step 6 Train Loss 1.7881392e-06 Accuracy 1.0 ...

验证集准确率 95% 以上。

测试

训练过程我们还可以每隔几个 Epoch 保存一下模型：

# save model if epoch % FLAGS.epochs_per_save == 0:   saver.save(sess, FLAGS.checkpoint_dir, global_step=gstep)

当然也可以取验证集上准确率最高的模型进行保存。

验证时我们可以重新 Reload 一下模型，然后进行验证：

# load model ckpt = tf.train.get_checkpoint_state('ckpt') if ckpt:   saver.restore(sess, ckpt.model_checkpoint_path)   print('Restore from', ckpt.model_checkpoint_path)   sess.run(test_initializer)   for step in range(int(test_steps)):       if step % FLAGS.steps_per_print == 0:           print('Test Accuracy', sess.run(accuracy, feed_dict={keep_prob: 1}), 'Step', step) else:   print('No Model Found')

验证之后其准确率基本是差不多的。

如果要进行新的 Inference 的话，可以替换下 test_x 即可。

代码

以上便是使用 TensorFlow 进行验证码识别的过程

代码见：https://github.com/AIDeepLearning/CrackCaptcha。

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