基於 CNN 的驗證碼破解實戰專案

在我們的實際生活中有很多的場景需要輸入驗證碼，在工程實踐中為了將資料採集、模擬登入等一系列操作行為自動化處理就需要處理好驗證碼的識別工作，已有的工作中基於機器學習和深度學習都有很多的工作開展出來，效果也都不錯，今天本文的主要內容就是基於卷積神經網路CNN模型來構建驗證碼圖片識別模型。

整體流程示意圖如下圖所示：

其中，主要的工作分為三個部分：資料採集、資料預處理和模型構建與測試。上述是之前一個實際完成的專案流程示意圖，本文主要是實踐基於CNN來構建識別模型，對於資料採集和預處理部分不作為講解的內容，感興趣可以親身實踐一下，都是影像處理領域內的比較基礎的內容。

經過處理後我們將原始的驗證碼圖片均進行了基本的去噪、二值化以及歸一化等處理得到了可用於模型直接訓練使用的特徵向量資料，原始的驗證碼影像資料如下所示：

處理後生成的特徵向量檔案如下所示：

上圖中，每一行表示一個字元子圖，每一列表示字元子圖的一維資料，向量的維數就是經過歸一化處理後的字元子圖【寬x高】的值，即：將二維的矩陣資料轉化為了一維的向量資料，這一步不是必須的，只是我這裡採用了這種處理方式。

生成得到原始驗證碼圖片資料的特徵向量後就可以搭建訓練模型了，具體的程式碼實現如下所示：

keys = ['1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F','G','H','J','K','L','N','P','Q','R','S','T','U','V','X','Y','Z']



def trainModel(feature='data.csv',batch_size=128,nepochs=50,ES=False,n_classes=31,model_path='vcModel.h5'):
    '''
    模型訓練
    '''
    df = pd.read_csv(feature)
    vals = range(31)
    label_dict = dict(zip(keys, vals))
    x_data = df[['v'+str(i+1) for i in range(320)]]
    y_data = pd.DataFrame({'label':df['label']})
    y_data['class'] = y_data['label'].apply(lambda x: label_dict[x])
    #資料集劃分
    X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(x_data, y_data['class'], test_size=0.3, random_state=42)
    x_train = np.array(X_train).reshape((1167, 20, 16, 1))
    x_test = np.array(X_test).reshape((501, 20, 16, 1))
    # label編碼處理
    y_train = np_utils.to_categorical(Y_train, n_classes)
    y_val = np_utils.to_categorical(Y_test, n_classes)
    input_shape = x_train[0].shape
    #CNN模型搭建開始  【可以根據自己的實際情況進行增刪和調整】
    model = Sequential()
    model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), input_shape=input_shape, padding='same'))
    model.add(Activation('relu'))
    model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), padding='same'))
    model.add(Dropout(0.4))
    model.add(Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), padding='same'))
    model.add(Activation('relu'))
    model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), padding='same'))
    model.add(Dropout(0.4))
    model.add(Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), padding='same'))
    model.add(Activation('relu'))
    model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), padding='same'))
    model.add(Dropout(0.4))
    model.add(Flatten())
    model.add(Dense(256, activation='relu'))
    model.add(Dropout(0.5))
    model.add(Dense(128, activation='relu'))
    model.add(Dense(n_classes, activation='softmax'))
    model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
    plot_model(model, to_file='vcModel.png', show_shapes=True)
    if ES:
        callbacks = [EarlyStopping(monitor='val_acc', patience=10, verbose=1)]  #提前終止策略
        history = model.fit(x_train, y_train, batch_size=batch_size, epochs=nepochs, \
                            verbose=1, validation_data=(x_test, y_val), callbacks=callbacks)
    else:
        history = model.fit(x_train, y_train, batch_size=batch_size, epochs=nepochs, verbose=1, validation_data=(x_test, y_val))
    model.save(model_path)
    #模型準確度、損失函式曲線繪製
    plt.clf()
    plt.plot(history.history['acc'])
    plt.plot(history.history['val_acc'])
    plt.title('Model Accuracy')
    plt.ylabel('Accuracy')
    plt.xlabel('Epochs')
    plt.legend(['train','test'], loc='upper left')
    plt.savefig('train_validation_acc.png')
    plt.clf()
    plt.plot(history.history['loss'])
    plt.plot(history.history['val_loss'])
    plt.title('Model Loss')
    plt.ylabel('Loss')
    plt.xlabel('Epochs')
    plt.legend(['train', 'test'], loc='upper left')
    plt.savefig('train_validation_loss.png')




if __name__=='__main__':
    trainModel(feature='data.csv',batch_size=128,nepochs=100,ES=False,n_classes=31,model_path='vcModel.h5')

預設設定了100次的迭代，不開啟提前終止策略，訓練完成後截圖如下所示：

訓練完成後就得到了離線的識別模型檔案，可重複載入使用，我們在訓練結束後繪製了模型的準確度和損失值對比曲線，如下所示：

從準確度和損失值對比曲線綜合來看可以發現：模型在20次迭代計算後就趨近於平穩，之後保持一個比較穩定的狀態。

之後對模型的識別能力進行測試分析，測試程式碼實現如下：

def predict(pic_path,pdir='test_verifycode/chars/',saveDir='test_verifycode/predict/'):
    '''
    預測識別
    '''
    pic_list = os.listdir(pdir)
    if pic_list:
        for File in pic_list:
            os.remove(pdir+ File)
    splitImage(pic_path)
    pic_list = os.listdir(pdir)
    if pic_list:
        for File in pic_list:
            remove_edge_picture(pdir+ File)
        for File in os.listdir(pdir):
            resplit(pdir+ File)
        for File in os.listdir(pdir):
            picConvert(pdir, File)
        pic_list = sorted(os.listdir(pdir), key=lambda x: x[0])
        table = np.array([loadImage(pdir, File) for File in pic_list]).reshape(-1,20,16,1) 
        cnn = load_model('vcModel.h5')
        y_pred = cnn.predict(table)
        predictions = np.argmax(y_pred, axis=1)
        keys = range(31)
        vals = ['1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'J', 'K', 'L', 'N', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'X', 'Y', 'Z']
        label_dict = dict(zip(keys, vals))
        predict_label=''.join([label_dict[pred] for pred in predictions])
        moveFile(pdir,saveDir+predict_label+'/')
        return predict_label


def mainFunc(picDir='VerifyCode/'):
    '''
    主模組
    '''
    count=0
    pic_list=os.listdir(picDir)
    total=len(pic_list)
    for one_pic in pic_list:
        true_label=one_pic.split('.')[0].strip()
        one_pic_path=picDir+one_pic
        predict_label=predict(one_pic_path)
        print('True Label: {0}, Predict Label: {1}.'.format(true_label,predict_label))
        if true_label==predict_label:
            count+=1
    print('Accuracy: ',count/total)

測試結果截圖如下所示：

使用了200張的驗證碼測試集來測試模型的識別能力，最終的準確度為87%，感覺還是不錯的，畢竟我只使用了不到2000的訓練資料來訓練CNN模型。

如果有資料集需求的可以聯絡我，或者是去隨機生成一些驗證碼資料集也是可以的，一個簡單的驗證碼資料集生成流程如下所示：

到這裡本文的工作就結束了，很高興在自己溫習回顧知識的同時能寫下點分享的東西出來，如果說您覺得我的內容還可以或者是對您有所啟發、幫助，還希望得到您的鼓勵支援，謝謝！

- END -

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