验证码是根据随机字符生成一幅图片，然后在图片中加入干扰象素，用户必须手动填入，防止有人利用机器人自动批量注册、灌水、发垃圾广告等等 。验证码的作用是验证用户是真人还是机器人。本文将使用深度学习框架Tensorflow训练出一个用于破解Discuz验证码的模型。
背景介绍
我们先看下简单的Discuz验证码
观察上述链接，你会发现label后面跟着的就是要显示的图片字母，改变label后面的值，我们就可以获得不同的Discuz验证码图片。如果会网络爬虫，我想根据这个api获取Discuz验证码图片对你来说应该很Easy。不会网络爬虫也没有关系，爬虫代码我已经为你准备好了。创建一个get_discuz.py文件，添加如下代码
#-*- coding:utf-8 -*-
from urllib.request import urlretrieve
import time, random, os
class Discuz():
def __init__(self):
# Discuz验证码生成图片地址
self.url = 'http://cuijiahua.com/tutrial/discuz/index.php?label='
def random_captcha_text(self, captcha_size = 4):
"""
验证码一般都无视大小写；验证码长度4个字符
Parameters:
captcha_size:验证码长度
Returns:
captcha_text:验证码字符串
"""
number = ['0','1','2','3','4','5','6','7','8','9']
alphabet = ['a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z']
char_set = number + alphabet
captcha_text = []
for i in range(captcha_size):
c = random.choice(char_set)
captcha_text.append(c)
captcha_text = ''.join(captcha_text)
return captcha_text
def download_discuz(self, nums = 5000):
"""
下载验证码图片
Parameters:
nums:下载的验证码图片数量
"""
dirname = './Discuz'
if dirname not in os.listdir():
os.mkdir(dirname)
for i in range(nums):
label = self.random_captcha_text()
print('第%d张图片:%s下载' % (i + 1,label))
urlretrieve(url = self.url + label, filename = dirname + '/' + label + '.jpg')
# 请至少加200ms延时，避免给我的服务器造成过多的压力，如发现影响服务器正常工作，我会关闭此功能。
# 你好我也好，大家好才是真的好！
time.sleep(0.2)
print('恭喜图片下载完成！')
if __name__ == '__main__':
dz = Discuz()
dz.download_discuz()
运行上述代码，你就可以下载5000张Discuz验证码图片到本地，但是要注意的一点是：请至少加200ms延时，避免给我的服务器造成过多的压力，如发现影响服务器正常工作，我会关闭此功能。
你好我也好，大家好才是真的好！
验证码下载过程如下图所示：
当然，如果你想省略麻烦的下载步骤也是可以的，我已经为大家准备好了6万张的Discuz验证码图片。我想应该够用了吧，如果感觉不够用，可以自行使用爬虫程序下载更多的验证码。6万张的Discuz验证码图片可到
http://cuijiahua.com/wp-content/themes/begin/down.php?id=2772下载。准备好的数据集，它们都是100*30大小的图片：
什么？你说这个图片识别太简单？没关系，有高难度的！
我打开的图片如下所示：
这是一个动图，并且还带倾斜、扭曲等特效。怎么通过api获得这种图片呢？
http://cuijiahua.com/tutrial/discuz/index.php?label=jack&width=100&height=30&background=1&adulterate=1&ttf=1&angle=1&warping=1&scatter=1&color=1&size=1&shadow=1&animator=1
没错，只要添加一些参数就可以了，格式如上图所示，每个参数的说明如下：
- label：验证码
- width：验证码宽度
- height：验证码高度
- background：是否随机图片背景
- adulterate：是否随机背景图形
- ttf：是否随机使用ttf字体
- angle：是否随机倾斜度
- warping：是否随机扭曲
- scatter：是否图片打散
- color：是否随机颜色
- size：是否随机大小
- shadow：是否文字阴影
- animator：是否GIF动画
你可以根据你的喜好，定制你想要的验证码图片。
不过，为了简单起见，我们只使用最简单的验证码图片进行验证码识别。数据集已经准备好，那么接下来进入本文的重点，Tensorflow实战。
Discuz验证码识别
我们已经将验证码下载好，并且文件名就是对应图片的标签。这里需要注意的是：我们忽略了图片中英文的大小写。
1.数据预处理
首先，数据预处理分为两个部分，第一部分是读取图片，并划分训练集和测试集。因为整个数据集为6W张图片，所以我们可以让训练集为5W张，测试集为1W张。随后，虽然标签是文件名，我们认识，但是机器是不认识的，因此我们要使用text2vec，将标签进行向量化。明确了目的，那开始实践吧！
读取数据：
我们通过定义rate，来确定划分比例。例如：测试集1W张，训练集5W张，那么rate=1W/5W=0.2。
def get_imgs(rate = 0.2):
"""
获取图片，并划分训练集和测试集
Parameters:
rate:测试集和训练集的比例，即测试集个数/训练集个数
Returns:
test_imgs:测试集
test_labels:测试集标签
train_imgs:训练集
test_labels:训练集标签
"""
data_path = './Discuz'
# 读取图片
imgs = os.listdir(data_path)
# 打乱图片顺序
random.shuffle(imgs)
# 数据集总共个数
imgs_num = len(imgs)
# 按照比例求出测试集个数
test_num = int(imgs_num * rate / (1 + rate))
# 测试集
test_imgs = imgs[:test_num]
# 根据文件名获取测试集标签
test_labels = list(map(lambda x: x.split('.')[0], test_imgs))
# 训练集
train_imgs = imgs[test_num:]
# 根据文件名获取训练集标签
train_labels = list(map(lambda x: x.split('.')[0], train_imgs))
return test_imgs, test_labels, train_imgs, train_labels
标签向量化：
既然需要将标签向量化，那么，我们也需要将向量化的标签还原回来。
import numpy as np
def text2vec(text):
"""
文本转向量
Parameters:
text:文本
Returns:
vector:向量
"""
if len(text) > 4:
raise ValueError('验证码最长4个字符')
vector = np.zeros(4 * 63)
def char2pos(c):
if c =='_':
k = 62
return k
k = ord(c) - 48
if k > 9:
k = ord(c) - 55
if k > 35:
k = ord(c) - 61
if k > 61:
raise ValueError('No Map')
return k
for i, c in enumerate(text):
idx = i * 63 + char2pos(c)
vector[idx] = 1
return vector
def vec2text(vec):
"""
向量转文本
Parameters:
vec:向量
Returns:
文本
"""
char_pos = vec.nonzero()[0]
text = []
for i, c in enumerate(char_pos):
char_at_pos = i #c/63
char_idx = c % 63
if char_idx < 10:
char_code = char_idx + ord('0')
elif char_idx < 36:
char_code = char_idx - 10 + ord('A')
elif char_idx < 62:
char_code = char_idx - 36 + ord('a')
elif char_idx == 62:
char_code = ord('_')
else:
raise ValueError('error')
text.append(chr(char_code))
return "".join(text)
print(text2vec('abcd'))
print(vec2text(text2vec('abcd')))
运行上述测试代码，你会发现，文本向量化竟如此简单：
这里我们包括了63个字符的转化，0-9 a-z A-Z _(验证码如果小于4，用_补齐)。
2.根据batch_size获取数据
我们在训练模型的时候，需要根据不同的batch_size"喂"数据。这就需要我们写个函数，从整体数据集中获取指定batch_size大小的数据。
def get_next_batch(self, train_flag=True, batch_size=100):
"""
获得batch_size大小的数据集
Parameters:
batch_size:batch_size大小
train_flag:是否从训练集获取数据
Returns:
batch_x:大小为batch_size的数据x
batch_y:大小为batch_size的数据y
"""
# 从训练集获取数据
if train_flag == True:
if (batch_size + self.train_ptr) < self.train_size:
trains = self.train_imgs[self.train_ptr:(self.train_ptr + batch_size)]
labels = self.train_labels[self.train_ptr:(self.train_ptr + batch_size)]
self.train_ptr += batch_size
else:
new_ptr = (self.train_ptr + batch_size) % self.train_size
trains = self.train_imgs[self.train_ptr:] + self.train_imgs[:new_ptr]
labels = self.train_labels[self.train_ptr:] + self.train_labels[:new_ptr]
self.train_ptr = new_ptr
batch_x = np.zeros([batch_size, self.heigth*self.width])
batch_y = np.zeros([batch_size, self.max_captcha*self.char_set_len])
for index, train in enumerate(trains):
img = np.mean(cv2.imread(self.data_path + train), -1)
# 将多维降维1维
batch_x[index,:] = img.flatten() / 255
for index, label in enumerate(labels):
batch_y[index,:] = self.text2vec(label)
# 从测试集获取数据
else:
if (batch_size + self.test_ptr) < self.test_size:
tests = self.test_imgs[self.test_ptr:(self.test_ptr + batch_size)]
labels = self.test_labels[self.test_ptr:(self.test_ptr + batch_size)]
self.test_ptr += batch_size
else:
new_ptr = (self.test_ptr + batch_size) % self.test_size
tests = self.test_imgs[self.test_ptr:] + self.test_imgs[:new_ptr]
labels = self.test_labels[self.test_ptr:] + self.test_labels[:new_ptr]
self.test_ptr = new_ptr
batch_x = np.zeros([batch_size, self.heigth*self.width])
batch_y = np.zeros([batch_size, self.max_captcha*self.char_set_len])
for index, test in enumerate(tests):
img = np.mean(cv2.imread(self.data_path + test), -1)
# 将多维降维1维
batch_x[index,:] = img.flatten() / 255
for index, label in enumerate(labels):
batch_y[index,:] = self.text2vec(label)
return batch_x, batch_y
上述代码无法运行，这是我封装到类里的函数，整体代码会在文末放出。现在理解下这代码，我们通过train_flag来确定是从训练集获取数据还是测试集获取数据，通过batch_size来获取指定大小的数据。获取数据之后，将batch_size大小的图片数据和经过向量化处理的标签存放到numpy数组中。
3.CNN模型
网络模型如下：3卷积层+1全链接层。
继续看下我封装到类里的函数：
def crack_captcha_cnn(self, w_alpha=0.01, b_alpha=0.1):
"""
定义CNN
Parameters:
w_alpha:权重系数
b_alpha:偏置系数
Returns:
out:CNN输出
"""
# 卷积的input: 一个Tensor。数据维度是四维[batch, in_height, in_width, in_channels]
# 具体含义是[batch大小, 图像高度, 图像宽度, 图像通道数]
# 因为是灰度图，所以是单通道的[?, 100, 30, 1]
x = tf.reshape(self.X, shape=[-1, self.heigth, self.width, 1])
# 卷积的filter:一个Tensor。数据维度是四维[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
# 具体含义是[卷积核的高度, 卷积核的宽度, 图像通道数, 卷积核个数]
w_c1 = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([3, 3, 1, 32]))
# 偏置项bias
b_c1 = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([32]))
# conv2d卷积层输入:
# strides: 一个长度是4的一维整数类型数组，每一维度对应的是 input 中每一维的对应移动步数
# padding：一个字符串，取值为 SAME 或者 VALID 前者使得卷积后图像尺寸不变, 后者尺寸变化
# conv2d卷积层输出:
# 一个四维的Tensor, 数据维度为 [batch, out_width, out_height, in_channels * out_channels]
# [?, 100, 30, 32]
# 输出计算公式H0 = (H - F + 2 * P) / S + 1
# 对于本卷积层而言,因为padding为SAME,所以P为1。
# 其中H为图像高度,F为卷积核高度,P为边填充,S为步长
# 学习参数:
# 32*(3*3+1)=320
# 连接个数:
# 100*30*30*100=9000000个连接
# bias_add:将偏差项bias加到value上。这个操作可以看做是tf.add的一个特例，其中bias是必须的一维。
# 该API支持广播形式，因此value可以是任何维度。但是，该API又不像tf.add，可以让bias的维度和value的最后一维不同，
conv1 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(x, w_c1, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'), b_c1))
# max_pool池化层输入：
# ksize:池化窗口的大小，取一个四维向量，一般是[1, height, width, 1]
# 因为我们不想在batch和channels上做池化，所以这两个维度设为了1
# strides:和卷积类似，窗口在每一个维度上滑动的步长，一般也是[1, stride,stride, 1]
# padding:和卷积类似，可以取'VALID' 或者'SAME'
# max_pool池化层输出：
# 返回一个Tensor，类型不变，shape仍然是[batch, out_width, out_height, in_channels]这种形式
# [?, 50, 15, 32]
# 学习参数:
# 2*32
# 连接个数:
# 15*50*32*(2*2+1)=120000
conv1 = tf.nn.max_pool(conv1, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
w_c2 = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([3, 3, 32, 64]))
b_c2 = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([64]))
# [?, 50, 15, 64]
conv2 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(conv1, w_c2, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'), b_c2))
# [?, 25, 8, 64]
conv2 = tf.nn.max_pool(conv2, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
w_c3 = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([3, 3, 64, 64]))
b_c3 = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([64]))
# [?, 25, 8, 64]
conv3 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(conv2, w_c3, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'), b_c3))
# [?, 13, 4, 64]
conv3 = tf.nn.max_pool(conv3, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
# [3328, 1024]
w_d = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([4*13*64, 1024]))
b_d = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([1024]))
# [?, 3328]
dense = tf.reshape(conv3, [-1, w_d.get_shape().as_list()[0]])
# [?, 1024]
dense = tf.nn.relu(tf.add(tf.matmul(dense, w_d), b_d))
dense = tf.nn.dropout(dense, self.keep_prob)
# [1024, 63*4=252]
w_out = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([1024, self.max_captcha*self.char_set_len]))
b_out = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([self.max_captcha*self.char_set_len]))
# [?, 252]
out = tf.add(tf.matmul(dense, w_out), b_out)
return out
为了省事，name_scope什么都没有设定。
每个网络层的功能，维度都已经在注释里写清楚了，甚至包括tensorflow相应函数的说明也注释好了。
如果对于网络结构计算不太了解，
推荐看下LeNet-5网络解析：http://cuijiahua.com/blog/2018/01/dl_3.html
LeNet-5的网络结构研究清楚了，这里也就懂了。
4.训练函数
准备工作都做好了，我们就可以开始训练了
def train_crack_captcha_cnn(self):
"""
训练函数
"""
output = self.crack_captcha_cnn()
# 创建损失函数
# loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=output, labels=self.Y))
diff = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=output, labels=self.Y)
loss = tf.reduce_mean(diff)
tf.summary.scalar('loss', loss)
# 使用AdamOptimizer优化器训练模型，最小化交叉熵损失
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)
# 计算准确率
y = tf.reshape(output, [-1, self.max_captcha, self.char_set_len])
y_ = tf.reshape(self.Y, [-1, self.max_captcha, self.char_set_len])
correct_pred = tf.equal(tf.argmax(y, 2), tf.argmax(y_, 2))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))
tf.summary.scalar('accuracy', accuracy)
merged = tf.summary.merge_all()
saver = tf.train.Saver()
with tf.Session(config=self.config) as sess:
# 写到指定的磁盘路径中
train_writer = tf.summary.FileWriter(self.log_dir + '/train', sess.graph)
test_writer = tf.summary.FileWriter(self.log_dir + '/test')
sess.run(tf.global_variables_initializer())
# 遍历self.max_steps次
for i in range(self.max_steps):
# 迭代500次，打乱一下数据集
if i % 499 == 0:
self.test_imgs, self.test_labels, self.train_imgs, self.train_labels = self.get_imgs()
# 每10次，使用测试集，测试一下准确率
if i % 10 == 0:
batch_x_test, batch_y_test = self.get_next_batch(False, 100)
summary, acc = sess.run([merged, accuracy], feed_dict={self.X: batch_x_test, self.Y: batch_y_test, self.keep_prob: 1})
print('迭代第%d次 accuracy:%f' % (i+1, acc))
test_writer.add_summary(summary, i)
# 如果准确率大于90%，则保存模型并退出。
if acc > 0.90:
train_writer.close()
test_writer.close()
saver.save(sess, "crack_capcha.model", global_step=i)
break
# 一直训练,不实用dropout
else:
batch_x, batch_y = self.get_next_batch(True, 100)
loss_value, _ = sess.run([loss, optimizer], feed_dict={self.X: batch_x, self.Y: batch_y, self.keep_prob: 1})
print('迭代第%d次 loss:%f' % (i+1, loss_value))
curve = sess.run(merged, feed_dict={self.X: batch_x_test, self.Y: batch_y_test, self.keep_prob: 1})
train_writer.add_summary(curve, i)
train_writer.close()
test_writer.close()
saver.save(sess, "crack_capcha.model", global_step=self.max_steps)
上述代码依旧是我封装到类里的函数，
与我的一篇文章《[Tensorflow实战（一）：打响深度学习的第一枪 – 手写数字识别（Tensorboard可视化）》
（http://cuijiahua.com/blog/2018/01/dl_4.html）重复的内容不再讲解，
包括Tensorboard的使用方法。
这里需要强调的一点是，我们需要在迭代到500次的时候重新获取下数据集，这样做其实就是打乱了一次数据集。为什么要打乱数据集呢？因为如果不打乱数据集，在训练的时候，Tensorboard绘图会有如下现象
可以看到，准确率曲线和Loss曲线存在跳变，这就是因为我们没有在迭代一定次数之后打乱数据集造成的。
同时，虽然我定义了dropout层，但是在训练的时候没有使用它，所以才把dropout值设置为1。
5.整体训练代码
指定GPU，指定Tensorboard数据存储路径，指定最大迭代次数，跟Tensorflow实战(一)的思想都是一致的。这里，设置最大迭代次数为100W次。我使用的GPU是Titan X，如果是使用CPU训练估计会好几天吧....
创建train.py文件，添加如下代码：
#-*- coding:utf-8 -*-
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os, random, cv2
class Discuz():
def __init__(self):
# 指定GPU
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0"
self.config = tf.ConfigProto(allow_soft_placement = True)
gpu_options = tf.GPUOptions(per_process_gpu_memory_fraction = 1)
self.config.gpu_options.allow_growth = True
# 数据集路径
self.data_path = './Discuz/'
# 写到指定的磁盘路径中
self.log_dir = '/home/jack_cui/Work/Discuz/Tb'
# 数据集图片大小
self.width = 30
self.heigth = 100
# 最大迭代次数
self.max_steps = 1000000
# 读取数据集
self.test_imgs, self.test_labels, self.train_imgs, self.train_labels = self.get_imgs()
# 训练集大小
self.train_size = len(self.train_imgs)
# 测试集大小
self.test_size = len(self.test_imgs)
# 每次获得batch_size大小的当前训练集指针
self.train_ptr = 0
# 每次获取batch_size大小的当前测试集指针
self.test_ptr = 0
# 字符字典大小:0-9 a-z A-Z _(验证码如果小于4，用_补齐) 一共63个字符
self.char_set_len = 63
# 验证码最长的长度为4
self.max_captcha = 4
# 输入数据X占位符
self.X = tf.placeholder(tf.float32, [None, self.heigth*self.width])
# 输入数据Y占位符
self.Y = tf.placeholder(tf.float32, [None, self.char_set_len*self.max_captcha])
# keepout占位符
self.keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
def test_show_img(self, fname, show = True):
"""
读取图片，显示图片信息并显示其灰度图
Parameters:
fname:图片文件名
show:是否展示灰度图
"""
# 获得标签
label = fname.split('.')
# 读取图片
img = cv2.imread(fname)
# 获取图片大小
width, heigth, _ = img.shape
print("图像宽:%s px" % width)
print("图像高:%s px" % heigth)
if show == True:
# plt.imshow(img)
#将fig画布分隔成1行1列,不共享x轴和y轴,fig画布的大小为(13,8)
#当nrow=3,nclos=2时,代表fig画布被分为六个区域,axs[0][0]表示第一行第一列
fig, axs = plt.subplots(nrows=2, ncols=1, sharex=False, sharey=False, figsize=(10,5))
axs[0].imshow(img)
axs0_title_text = axs[0].set_title(u'RGB img')
plt.setp(axs0_title_text, size=10)
# 转换为灰度图
gray = np.mean(img, axis=-1)
axs[1].imshow(gray, cmap='Greys_r')
axs1_title_text = axs[1].set_title(u'GRAY img')
plt.setp(axs1_title_text, size=10)
plt.show()
def get_imgs(self, rate = 0.2):
"""
获取图片，并划分训练集和测试集
Parameters:
rate:测试集和训练集的比例，即测试集个数/训练集个数
Returns:
test_imgs:测试集
test_labels:测试集标签
train_imgs:训练集
test_labels:训练集标签
"""
# 读取图片
imgs = os.listdir(self.data_path)
# 打乱图片顺序
random.shuffle(imgs)
# 数据集总共个数
imgs_num = len(imgs)
# 按照比例求出测试集个数
test_num = int(imgs_num * rate / (1 + rate))
# 测试集
test_imgs = imgs[:test_num]
# 根据文件名获取测试集标签
test_labels = list(map(lambda x: x.split('.')[0], test_imgs))
# 训练集
train_imgs = imgs[test_num:]
# 根据文件名获取训练集标签
train_labels = list(map(lambda x: x.split('.')[0], train_imgs))
return test_imgs, test_labels, train_imgs, train_labels
def get_next_batch(self, train_flag=True, batch_size=100):
"""
获得batch_size大小的数据集
Parameters:
batch_size:batch_size大小
train_flag:是否从训练集获取数据
Returns:
batch_x:大小为batch_size的数据x
batch_y:大小为batch_size的数据y
"""
# 从训练集获取数据
if train_flag == True:
if (batch_size + self.train_ptr) < self.train_size:
trains = self.train_imgs[self.train_ptr:(self.train_ptr + batch_size)]
labels = self.train_labels[self.train_ptr:(self.train_ptr + batch_size)]
self.train_ptr += batch_size
else:
new_ptr = (self.train_ptr + batch_size) % self.train_size
trains = self.train_imgs[self.train_ptr:] + self.train_imgs[:new_ptr]
labels = self.train_labels[self.train_ptr:] + self.train_labels[:new_ptr]
self.train_ptr = new_ptr
batch_x = np.zeros([batch_size, self.heigth*self.width])
batch_y = np.zeros([batch_size, self.max_captcha*self.char_set_len])
for index, train in enumerate(trains):
img = np.mean(cv2.imread(self.data_path + train), -1)
# 将多维降维1维
batch_x[index,:] = img.flatten() / 255
for index, label in enumerate(labels):
batch_y[index,:] = self.text2vec(label)
# 从测试集获取数据
else:
if (batch_size + self.test_ptr) < self.test_size:
tests = self.test_imgs[self.test_ptr:(self.test_ptr + batch_size)]
labels = self.test_labels[self.test_ptr:(self.test_ptr + batch_size)]
self.test_ptr += batch_size
else:
new_ptr = (self.test_ptr + batch_size) % self.test_size
tests = self.test_imgs[self.test_ptr:] + self.test_imgs[:new_ptr]
labels = self.test_labels[self.test_ptr:] + self.test_labels[:new_ptr]
self.test_ptr = new_ptr
batch_x = np.zeros([batch_size, self.heigth*self.width])
batch_y = np.zeros([batch_size, self.max_captcha*self.char_set_len])
for index, test in enumerate(tests):
img = np.mean(cv2.imread(self.data_path + test), -1)
# 将多维降维1维
batch_x[index,:] = img.flatten() / 255
for index, label in enumerate(labels):
batch_y[index,:] = self.text2vec(label)
return batch_x, batch_y
def text2vec(self, text):
"""
文本转向量
Parameters:
text:文本
Returns:
vector:向量
"""
if len(text) > 4:
raise ValueError('验证码最长4个字符')
vector = np.zeros(4 * self.char_set_len)
def char2pos(c):
if c =='_':
k = 62
return k
k = ord(c) - 48
if k > 9:
k = ord(c) - 55
if k > 35:
k = ord(c) - 61
if k > 61:
raise ValueError('No Map')
return k
for i, c in enumerate(text):
idx = i * self.char_set_len + char2pos(c)
vector[idx] = 1
return vector
def vec2text(self, vec):
"""
向量转文本
Parameters:
vec:向量
Returns:
文本
"""
char_pos = vec.nonzero()[0]
text = []
for i, c in enumerate(char_pos):
char_at_pos = i #c/63
char_idx = c % self.char_set_len
if char_idx < 10:
char_code = char_idx + ord('0')
elif char_idx < 36:
char_code = char_idx - 10 + ord('A')
elif char_idx < 62:
char_code = char_idx - 36 + ord('a')
elif char_idx == 62:
char_code = ord('_')
else:
raise ValueError('error')
text.append(chr(char_code))
return "".join(text)
def crack_captcha_cnn(self, w_alpha=0.01, b_alpha=0.1):
"""
定义CNN
Parameters:
w_alpha:权重系数
b_alpha:偏置系数
Returns:
out:CNN输出
"""
# 卷积的input: 一个Tensor。数据维度是四维[batch, in_height, in_width, in_channels]
# 具体含义是[batch大小, 图像高度, 图像宽度, 图像通道数]
# 因为是灰度图，所以是单通道的[?, 100, 30, 1]
x = tf.reshape(self.X, shape=[-1, self.heigth, self.width, 1])
# 卷积的filter:一个Tensor。数据维度是四维[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
# 具体含义是[卷积核的高度, 卷积核的宽度, 图像通道数, 卷积核个数]
w_c1 = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([3, 3, 1, 32]))
# 偏置项bias
b_c1 = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([32]))
# conv2d卷积层输入:
# strides: 一个长度是4的一维整数类型数组，每一维度对应的是 input 中每一维的对应移动步数
# padding：一个字符串，取值为 SAME 或者 VALID 前者使得卷积后图像尺寸不变, 后者尺寸变化
# conv2d卷积层输出:
# 一个四维的Tensor, 数据维度为 [batch, out_width, out_height, in_channels * out_channels]
# [?, 100, 30, 32]
# 输出计算公式H0 = (H - F + 2 * P) / S + 1
# 对于本卷积层而言,因为padding为SAME,所以P为1。
# 其中H为图像高度,F为卷积核高度,P为边填充,S为步长
# 学习参数:
# 32*(3*3+1)=320
# 连接个数:
# 100*30*30*100=9000000个连接
# bias_add:将偏差项bias加到value上。这个操作可以看做是tf.add的一个特例，其中bias是必须的一维。
# 该API支持广播形式，因此value可以是任何维度。但是，该API又不像tf.add，可以让bias的维度和value的最后一维不同，
conv1 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(x, w_c1, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'), b_c1))
# max_pool池化层输入：
# ksize:池化窗口的大小，取一个四维向量，一般是[1, height, width, 1]
# 因为我们不想在batch和channels上做池化，所以这两个维度设为了1
# strides:和卷积类似，窗口在每一个维度上滑动的步长，一般也是[1, stride,stride, 1]
# padding:和卷积类似，可以取'VALID' 或者'SAME'
# max_pool池化层输出：
# 返回一个Tensor，类型不变，shape仍然是[batch, out_width, out_height, in_channels]这种形式
# [?, 50, 15, 32]
# 学习参数:
# 2*32
# 连接个数:
# 15*50*32*(2*2+1)=120000
conv1 = tf.nn.max_pool(conv1, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
w_c2 = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([3, 3, 32, 64]))
b_c2 = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([64]))
# [?, 50, 15, 64]
conv2 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(conv1, w_c2, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'), b_c2))
# [?, 25, 8, 64]
conv2 = tf.nn.max_pool(conv2, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
w_c3 = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([3, 3, 64, 64]))
b_c3 = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([64]))
# [?, 25, 8, 64]
conv3 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(conv2, w_c3, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'), b_c3))
# [?, 13, 4, 64]
conv3 = tf.nn.max_pool(conv3, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
# [3328, 1024]
w_d = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([4*13*64, 1024]))
b_d = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([1024]))
# [?, 3328]
dense = tf.reshape(conv3, [-1, w_d.get_shape().as_list()[0]])
# [?, 1024]
dense = tf.nn.relu(tf.add(tf.matmul(dense, w_d), b_d))
dense = tf.nn.dropout(dense, self.keep_prob)
# [1024, 37*4=148]
w_out = tf.Variable(w_alpha*tf.random_normal([1024, self.max_captcha*self.char_set_len]))
b_out = tf.Variable(b_alpha*tf.random_normal([self.max_captcha*self.char_set_len]))
# [?, 148]
out = tf.add(tf.matmul(dense, w_out), b_out)
# out = tf.nn.softmax(out)
return out
def train_crack_captcha_cnn(self):
"""
训练函数
"""
output = self.crack_captcha_cnn()
# 创建损失函数
# loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=output, labels=self.Y))
diff = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=output, labels=self.Y)
loss = tf.reduce_mean(diff)
tf.summary.scalar('loss', loss)
# 使用AdamOptimizer优化器训练模型，最小化交叉熵损失
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)
# 计算准确率
y = tf.reshape(output, [-1, self.max_captcha, self.char_set_len])
y_ = tf.reshape(self.Y, [-1, self.max_captcha, self.char_set_len])
correct_pred = tf.equal(tf.argmax(y, 2), tf.argmax(y_, 2))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))
tf.summary.scalar('accuracy', accuracy)
merged = tf.summary.merge_all()
saver = tf.train.Saver()
with tf.Session(config=self.config) as sess:
# 写到指定的磁盘路径中
train_writer = tf.summary.FileWriter(self.log_dir + '/train', sess.graph)
test_writer = tf.summary.FileWriter(self.log_dir + '/test')
sess.run(tf.global_variables_initializer())
# 遍历self.max_steps次
for i in range(self.max_steps):
# 迭代500次，打乱一下数据集
if i % 499 == 0:
self.test_imgs, self.test_labels, self.train_imgs, self.train_labels = self.get_imgs()
# 每10次，使用测试集，测试一下准确率
if i % 10 == 0:
batch_x_test, batch_y_test = self.get_next_batch(False, 100)
summary, acc = sess.run([merged, accuracy], feed_dict={self.X: batch_x_test, self.Y: batch_y_test, self.keep_prob: 1})
print('迭代第%d次 accuracy:%f' % (i+1, acc))
test_writer.add_summary(summary, i)
# 如果准确率大于85%，则保存模型并退出。
if acc > 0.85:
train_writer.close()
test_writer.close()
saver.save(sess, "crack_capcha.model", global_step=i)
break
# 一直训练
else:
batch_x, batch_y = self.get_next_batch(True, 100)
loss_value, _ = sess.run([loss, optimizer], feed_dict={self.X: batch_x, self.Y: batch_y, self.keep_prob: 1})
print('迭代第%d次 loss:%f' % (i+1, loss_value))
curve = sess.run(merged, feed_dict={self.X: batch_x_test, self.Y: batch_y_test, self.keep_prob: 1})
train_writer.add_summary(curve, i)
train_writer.close()
test_writer.close()
saver.save(sess, "crack_capcha.model", global_step=self.max_steps)
if __name__ == '__main__':
dz = Discuz()
dz.train_crack_captcha_cnn()
代码跑了一个多小时终于跑完了，Tensorboard显示的数据：
准确率达到百分之90以上吧。
6.测试代码
已经有训练好的模型了，怎么加载已经训练好的模型进行预测呢？在和train.py相同目录下，创建test.py文件，添加如下代码：
#-*- coding:utf-8 -*-
import tensorflow as tf
import numpy as np
import train
def crack_captcha(captcha_image, captcha_label):
"""
使用模型做预测
Parameters:
captcha_image:数据
captcha_label:标签
"""
output = dz.crack_captcha_cnn()
saver = tf.train.Saver()
with tf.Session(config=dz.config) as sess:
saver.restore(sess, tf.train.latest_checkpoint('.'))
for i in range(len(captcha_label)):
img = captcha_image[i].flatten()
label = captcha_label[i]
predict = tf.argmax(tf.reshape(output, [-1, dz.max_captcha, dz.char_set_len]), 2)
text_list = sess.run(predict, feed_dict={dz.X: [img], dz.keep_prob: 1})
text = text_list[0].tolist()
vector = np.zeros(dz.max_captcha*dz.char_set_len)
i = 0
for n in text:
vector[i*dz.char_set_len + n] = 1
i += 1
prediction_text = dz.vec2text(vector)
print("正确: {} 预测: {}".format(dz.vec2text(label), prediction_text))
if __name__ == '__main__':
dz = train.Discuz()
batch_x, batch_y = dz.get_next_batch(False, 5)
crack_captcha(batch_x, batch_y)
运行程序，随机从测试集挑选5张图片，效果还行，错了一个字母：
总 结
通过修改网络结构，以及超参数，学习如何调参。
可以试试其他的网络结构，准确率还可以提高很多的。
Discuz验证码可以使用更复杂的，这仅仅是个小demo。
如有问题，请留言。如有错误，还望指正，谢谢！
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