詳解如何用 LSTM 自動識別驗證碼

本文作者： AI研習社

2017-06-19 16:41

導語：還在為驗證碼糟心？

雷鋒網(wǎng)按：本文作者 Slyne_D，原載于作者個人博客，雷鋒網(wǎng)已獲授權。

這是去年博主心血來潮實現(xiàn)的一個小模型，現(xiàn)在把它總結一下。由于樓主比較懶，網(wǎng)上許多方法都需要切割圖片，但是樓主思索了一下感覺讓模型有多個輸出就可以了呀，沒必要一定要切割的吧？切不好還需要損失信息啊！本文比較簡單，只基于傳統(tǒng)的驗證碼。

Part 0 模型概覽

從圖片到序列實際上就是Image2text也就是seq2seq的一種。encoder是Image, decoder是驗證碼序列。由于keras不支持傳統(tǒng)的在decoder部分每個cell輸出需要作為下一個rnn的cell的輸入(見下圖)，所以我們這里把decoder部分的輸入用encoder（image）的最后一層復制N份作為decoder部分的每個cell的輸入。

詳解如何用 LSTM 自動識別驗證碼

典型的seq2seq

詳解如何用 LSTM 自動識別驗證碼

keras可以直接實現(xiàn)的image2text

當然利用 recurrentshop 和 seq2seq，我們也可以實現(xiàn)標準的seq2seq的網(wǎng)絡結構(后文會寫)。

Part I 收集數(shù)據(jù)

網(wǎng)上還是有一些數(shù)據(jù)集可以用的，包括dataCastle也舉辦過驗證碼識別的比賽，都有現(xiàn)成的標注好了的數(shù)據(jù)集。(然而難點是各種花式驗證碼啊，填字的，滑動的，還有那個基于語義的reCaptcha~)。

因為我想弄出各種長度的驗證碼，所以我還是在github上下載了一個生成驗證碼的python包。

下載后，按照例子生成驗證碼(包含26個小寫英文字母)：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8
from captcha.image import ImageCaptcha
from random import sample

image = ImageCaptcha() #fonts=[ "font/Xenotron.ttf"]
characters = list("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz")

def generate_data(digits_num, output, total):
num = 0
while(num<total):
cur_cap = sample(characters, digits_num)
cur_cap =''.join(cur_cap)
_ = image.generate(cur_cap)
image.write(cur_cap, output+cur_cap+".png")
num += 1

generate_data(4, "images/four_digit/", 10000) #產(chǎn)生四個字符長度的驗證碼
generate_data(5, "images/five_digit/", 10000) #產(chǎn)生五個字符長度的驗證碼
generate_data(6, "images/six_digit/", 10000) #產(chǎn)生六個字符長度的驗證碼
generate_data(7, "images/seven_digit/",10000) # 產(chǎn)生七個字符長度的驗證碼

產(chǎn)生的驗證碼

詳解如何用 LSTM 自動識別驗證碼

(目測了一下生成驗證碼的包的代碼，發(fā)現(xiàn)主要是在x，y軸上做一些變換，加入一些噪音)

Part II 預處理

由于生成的圖片不是相同尺寸的，為了方便訓練我們需要轉換成相同尺寸的。另外由于驗證碼長度不同，我們需要在label上多加一個符號來表示這個序列的結束。

處理之后的結果就是圖像size全部為Height=60, Width=250, Channel=3。label全部用字符id表示，并且末尾加上表示<EOF>的id。比如假設a-z的id為0-25，<EOF>的id為26，那么對于驗證碼"abdf"的label也就是[0,1,3,5,26,26,26,26]，"abcdefg"的label為[0,1,2,3,4,5,6,26]。

由于我們用的是categorical_crossentropy來判斷每個輸出的結果，所以對label我們還需要把其變成one-hot的形式，那么用Keras現(xiàn)成的工具to_categorical函數(shù)對上面的label做一下處理就可以了。比如abdf的label進一步轉換成:

[[1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],

[0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],

[0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],

[0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],

[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1],

[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1]]

Part III 構建模型

不借助外部包可以實現(xiàn)的模型

def create_simpleCnnRnn(image_shape, max_caption_len,vocab_size):
image_model = Sequential()
# image_shape : C,W,H
# input: 100x100 images with 3 channels -> (3, 100, 100) tensors.
# this applies 32 convolution filters of size 3x3 each.
image_model.add(Convolution2D(32, 3, 3, border_mode='valid', input_shape=image_shape))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(Convolution2D(32, 3, 3))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
image_model.add(Dropout(0.25))
image_model.add(Convolution2D(64, 3, 3, border_mode='valid'))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(Convolution2D(64, 3, 3))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
image_model.add(Dropout(0.25))
image_model.add(Flatten())
# Note: Keras does automatic shape inference.
image_model.add(Dense(128))
image_model.add(RepeatVector(max_caption_len)) # 復制8份
image_model.add(Bidirectional(GRU(output_dim=128, return_sequences=True)))
image_model.add(TimeDistributed(Dense(vocab_size)))
image_model.add(Activation('softmax'))
sgd = SGD(lr=0.002, decay=1e-6, momentum=0.9, nesterov=True)
image_model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=sgd, metrics=['accuracy'])
return image_model

借助recurrentshop和seq2seq可以實現(xiàn)的結構

def create_imgText(image_shape, max_caption_len,vocab_size):
image_model = Sequential()
# image_shape : C,W,H
# input: 100x100 images with 3 channels -> (3, 100, 100) tensors.
# this applies 32 convolution filters of size 3x3 each.
image_model.add(Convolution2D(32, 3, 3, border_mode='valid', input_shape=image_shape))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(Convolution2D(32, 3, 3))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
image_model.add(Dropout(0.25))
image_model.add(Convolution2D(64, 3, 3, border_mode='valid'))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(Convolution2D(64, 3, 3))
image_model.add(BatchNormalization())
image_model.add(Activation('relu'))
image_model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
image_model.add(Dropout(0.25))
image_model.add(Flatten())
# Note: Keras does automatic shape inference.
image_model.add(Dense(128))
image_model.add(RepeatVector(1)) # 為了兼容seq2seq，要多包一個[]
#model = AttentionSeq2Seq(input_dim=128, input_length=1, hidden_dim=128, output_length=max_caption_len, output_dim=128, depth=2)
model = Seq2Seq(input_dim=128, input_length=1, hidden_dim=128, output_length=max_caption_len,
output_dim=128, peek=True)
image_model.add(model)
image_model.add(TimeDistributed(Dense(vocab_size)))
image_model.add(Activation('softmax'))
image_model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

return image_model

Part IV 模型訓練

之前寫過固定長度的驗證碼的序列準確率可以達到99%，項目可以參考這里。

另外，我們在用Keras訓練的時候會有一個acc，這個acc是指的一個字符的準確率，并不是這一串序列的準確率。也就是說在可以預期的情況下，如果你的一個字符的準確率達到了99%，那么如果你的序列長度是5的時候，理論上你的序列準確率是0.99^5 = 0.95, 如果像我們一樣序列長度是7，則為0.99^8=0.923。

所以當你要看到實際的驗證集上的準確率的時候，應該自己寫一個callback的類來評測，只有當序列中所有的字符都和label一樣才可以算正確。

class ValidateAcc(Callback):
def __init__(self, image_model, val_data, val_label, model_output):
self.image_model = image_model
self.val = val_data
self.val_label = val_label
self.model_output = model_output

def on_epoch_end(self, epoch, logs={}): # 每個epoch結束后會調用該方法
print '\n———————————--------'
self.image_model.load_weights(self.model_output+'weights.%02d.hdf5' % epoch)
r = self.image_model.predict(val, verbose=0)
y_predict = np.asarray([np.argmax(i, axis=1) for i in r])
val_true = np.asarray([np.argmax(i, axis = 1) for i in self.val_label])
length = len(y_predict) * 1.0
correct = 0
for (true,predict) in zip(val_true,y_predict):
print true,predict
if list(true) == list(predict):
correct += 1
print "Validation set acc is: ", correct/length
print '\n———————————--------'

val_acc_check_pointer = ValidateAcc(image_model,val,val_label,model_output)

記錄每個epoch的模型結果

check_pointer = ModelCheckpoint(filepath=model_output + "weights.{epoch:02d}.hdf5")

訓練

image_model.fit(train, train_label,
shuffle=True, batch_size=16, nb_epoch=20, validation_split=0.2, callbacks=[check_pointer, val_acc_check_pointer])

Part V 訓練結果

在39866張生成的驗證碼上，27906張作為訓練，11960張作為驗證集。

第一種模型:

序列訓練了大約80輪，在驗證集上最高的準確率為0.9264，但是很容易變化比如多跑一輪就可能變成0.7，主要原因還是因為預測的時候考慮的是整個序列而不是單個字符，只要有一個字符沒有預測準確整個序列就是錯誤的。

第二種模型:

第二個模型也就是上面的create_imgText，驗證集上的最高準確率差不多是0.9655（當然我沒有很仔細的去調參，感覺調的好的話兩個模型應該是差不多的，驗證集達到0.96之后相對穩(wěn)定）。

Part VI 其它

看起來還是覺得keras實現(xiàn)簡單的模型會比較容易，稍微變形一點的模型就很糾結了，比較好的是基礎的模型用上其他包都可以實現(xiàn)。keras 2.0.x開始的版本跟1.0.x還是有些差異的，而且recurrentshop現(xiàn)在也是支持2.0版本的。如果在建模型的時候想更flexible一點的話，還是用tensorflow會比較好，可以調整的東西也比較多，那下一篇可以寫一下img2txt的tensorflow版本。