卷积神经网络（CNN）学习算法之----基于LeNet网络的中文验证码识别
由于公司需要进行了中文验证码的图片识别开发，最近一段时间刚忙完上线，好不容易闲下来就继上篇《基于Windows10 x64+visual Studio2013+Python2.7.12环境下的Caffe配置学习 》文章，记录下利用caffe进行中文验证码图片识别的开发过程。由于这里主要介绍开发和实现过程，CNN理论性的东西这里作为介绍的重点，遇到相关的概念和术语请自行研究。目前从我们训练出来的模型来看，单字识别率接近96%，所以一个四字验证码的准确率大概80%，效果还不错，完全能满足使用，如果每张图片的样本继续加大应该能取得更高的准确率，当然随着样本的加大，训练时间也随之增大，对硬件设备要求也越高，还有就是优化LeNet网络结构，目前这里只使用了三层卷积。
（一）开发准备
（1）开发环境
软件环境：visual Studio2013+Python2.7.12+caffe
硬件环境：Intel Core i7-4790+GTX1080+RAM32G
（2）训练图片
可以用于验证码的中文常用字大概3666个，每个字的训练大于等于50个，所以总共训练样本大概20万，其中80%用于训练集，20%用于测试集。样本收集是一个非常麻烦和耗时的过程，需要手工标注结果，我这里利用手工打码平台收集，最便宜一个验证码要4分钱，可以大概算一下，光为了收集这么多样本就将近花费1万RMB，还有配置一个GTX1080的显卡大概6千RMB，这点成本对一个公司还好，如果是对于个人投入还是不少，所以对于实验室的学生党玩深度学习成本还是蛮高的！
训练集：26万样本图片
测试集：13万样本图片
（二）图片样本处理
目前验证码种类无极繁多，有数字、字母、中文、图片等等，不过本文主要介绍中文验证码的识别。中文验证码设计干扰的方式主要围绕：
（1）背景色干扰
（2）文字倾斜扭曲
（3）干扰性
（4）中文拼音并存（百度九宫格）
（5）叠字
针对不同类型的验证码需要分别处理，这些处理过程统称图片预处理，目前并没有统一的预处理方式，需要针对不同的验证码做特殊处理，但是大体不过程无外乎：灰度化、二值化、去干扰线、分割切图、标准化，这些过程用python实现都非常的简单，这里就不详细介绍了，直接上代码，需要import cv2：
1 class PreProcess(object): 2 """description of class""" 3 def ConvertToGray(self,Image,filename): 4 GrayImage=cv2.cvtColor(Image,cv2.COLOR_BGR2GRAY) 5 return GrayImage 6 7 def ConvertTo1Bpp(self,GrayImage,filename): 8 Bpp=cv2.threshold(GrayImage,127,255,cv2.THRESH_BINARY) 9 cv2.imwrite(‘D://‘+‘1.jpg‘,Bpp[1]) 10 return Bpp 11 12 def InterferLine(self,Bpp,filename): 13 for i in range(0,76): 14 for j in range(0,Bpp.shape[0]): 15 Bpp[j][i]=255 16 for i in range(161,Bpp.shape[1]): 17 for j in range(0,Bpp.shape[0]): 18 Bpp[j][i]=255 19 m=1 20 n=1 21 for i in range(76,161): 22 while(m<Bpp.shape[0]-1): 23 if Bpp[m][i]==0: 24 if Bpp[m+1][i]==0: 25 n=m+1 26 elif m>0 and Bpp[m-1][i]==0: 27 n=m 28 m=n-1 29 else: 30 n=m+1 31 break 32 elif m!=Bpp.shape[0]: 33 l=0 34 k=0 35 ll=m 36 kk=m 37 while(ll>0): 38 if Bpp[ll][i]==0: 39 ll=11-1 40 l=l+1 41 else: 42 break 43 while(kk>0): 44 if Bpp[kk][i]==0: 45 kk=kk-1 46 k=k+1 47 else: 48 break 49 if (l<=k and l!=0) or (k==0 and l!=0): 50 m=m-1 51 else: 52 m=m+1 53 else: 54 break 55 #endif 56 #endwhile 57 if m>0 and Bpp[m-1][i]==0 and Bpp[n-1][i]==0: 58 continue 59 else: 60 Bpp[m][i]=255 61 Bpp[n][i]=255 62 #endif 63 #endfor 64 return Bpp 65 66 def CutImage(self,Bpp,filename): 67 b1=np.zeros((Bpp.shape[0],20)) 68 for i in range(78,98): 69 for j in range(0,Bpp.shape[0]): 70 b1[j][i-78]=Bpp[j][i] 71 cv2.imwrite(outpath+filename.decode(‘gbk‘)[0].encode(‘gbk‘)+‘_‘+‘%d‘ %(time.time()*1000)+str(random.randint(1000,9999))+‘.png‘,b1) 72 73 b2=np.zeros((Bpp.shape[0],19)) 74 for i in range(99,118): 75 for j in range(0,Bpp.shape[0]): 76 b2[j][i-99]=Bpp[j][i] 77 cv2.imwrite(outpath+filename.decode(‘gbk‘)[1].encode(‘gbk‘)+‘_‘+‘%d‘ %(time.time()*1000)+str(random.randint(1000,9999))+‘.png‘,b2) 78 79 b3=np.zeros((Bpp.shape[0],19)) 80 for i in range(119,138): 81 for j in range(0,Bpp.shape[0]): 82 b3[j][i-119]=Bpp[j][i] 83 cv2.imwrite(outpath+filename.decode(‘gbk‘)[2].encode(‘gbk‘)+‘_‘+‘%d‘ %(time.time()*1000)+str(random.randint(1000,9999))+‘.png‘,b3) 84 85 b4=np.zeros((Bpp.shape[0],19)) 86 for i in range(139,158): 87 for j in range(0,Bpp.shape[0]): 88 b4[j][i-139]=Bpp[j][i] 89 cv2.imwrite(outpath+filename.decode(‘gbk‘)[3].encode(‘gbk‘)+‘_‘+‘%d‘ %(time.time()*1000)+str(random.randint(1000,9999))+‘.png‘,b4) 90 #return (b1,b2,b3,b4)
调用预处理方法的代码：
1 import cv2 2 PP=PreProcess() 3 for root,dirs,files in os.walk(inpath): 4 for filename in files: 5 Img=cv2.imread(root+‘/‘+filename)#太坑，此处inpath不能包含中文路径 6 GrayImage=PP.ConvertToGray(Img,filename) 7 Bpp=PP.ConvertTo1Bpp(GrayImage,filename) 8 Bpp_new=PP.InterferLine(Bpp,filename) 9 b=PP.CutImage(Bpp_new,filename)
处理前的图片：
预处理后的图片：
（三）caffe模型配置
模型配置阶段，需要进行caffe所需数据格式准备、训练集和测试集准备、Lenet网络结构配置等三步
（1）训练集合测试集准备
预处理阶段将验证码切割成四个图片后，需要将每个图片进行标准化为32*32像素大小的图片，不然caffe模型无法训练。标准化完成以后就需要把每个字的图片分拆到训练集和测试集中去，这里代码就不贴了，根据个人喜好我设置一个字的训练集占80%，测试集占20%，然后把每个字用一个字典进行映射为数字编号，方便模型给出结果时我们能找到对应的汉子。
（2）caffe格式数据
为了生存caffe所需数据格式需要用到convert_imageset项目，在第一篇配置中已经编译好了这个项目，可以直接拿过来用，python调用代码如下：
path=os.getcwd()#保存当前路径 os.chdir("./caffe-master/caffe-master/Build/x64/Debug")#改变路径到caffe.exe文件夹 os.system(‘SET GLOG_logtostderr=1‘) #生成训练集 os.system(‘convert_imageset.exe --shuffle ./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/train ./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/train.txt ./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/trainldb 0‘) #生成测试集 os.system(‘convert_imageset.exe --shuffle ./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/val ./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/val.txt ./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/testldb 0‘)
生成成功过后可以分别在训练集和测试集文件夹看到如下两个文件：data.mdb和lock.mdb格式的数据
（3）Lenet网络模型
目前Lenet结果已经非常成熟，发展到5.0版本，对于层数不需要太多的CNN网络用它完全足够了，当然现在跟强大的模型还有：Alexnet、googlenet,VGG,resnet。resnet是今年刚出的，据benchmark的测试，对于人脸识别它可以完爆其他网络，层数更是可以多达200，有兴趣的可以看看：GitHub测评项目。对于Lenet有一个可视化的配置网站：http://ethereon.github.io/netscope/#/editor，这里配置的三层结构如下：
模型总共包含三个卷积层，两个池化层，模型中最重要的几个设置参数：num_output、kernel_size、stride，模型的好坏除了结构的设计外，就看这几个参数是否配置的合理，具体的配置这里不详细讲解，相关讲解文章非常的多，也有很多优秀的论文可以借鉴，模型的结构代码如下：
name: "LeNet"
layer {
name: "mnist"
type: "Data"
top: "data"
top: "label"
include {
phase: TRAIN
}
transform_param {
scale: 0.00390625
}
data_param {
source: "E:/work/meb/Deeplearning/caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/trainldb"
batch_size: 64
backend: LMDB
}
}
layer {
name: "mnist"
type: "Data"
top: "data"
top: "label"
include {
phase: TEST
}
transform_param {
scale: 0.00390625
}
data_param {
source: "E:/work/meb/Deeplearning/caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/data/testldb"
batch_size: 100
backend: LMDB
}
}
layer {
name: "conv1"
type: "Convolution"
bottom: "data"
top: "conv1"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
convolution_param {
num_output: 64
kernel_size: 7
stride: 1
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
name: "relu1"
type: "ReLU"
bottom: "conv1"
top: "conv1"
}
layer {
name: "pool1"
type: "Pooling"
bottom: "conv1"
top: "pool1"
pooling_param {
pool: MAX
kernel_size: 2
stride: 2
}
}
layer {
name: "conv2"
type: "Convolution"
bottom: "pool1"
top: "conv2"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
convolution_param {
num_output: 256
pad:1
kernel_size: 6
stride: 1
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
name: "relu2"
type: "ReLU"
bottom: "conv2"
top: "conv2"
}
layer {
name: "conv3"
type: "Convolution"
bottom: "conv2"
top: "conv3"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
convolution_param {
num_output: 1024
pad:1
kernel_size: 5
stride: 1
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
name: "relu3"
type: "ReLU"
bottom: "conv3"
top: "conv3"
}
layer {
name: "pool2"
type: "Pooling"
bottom: "conv3"
top: "pool2"
pooling_param {
pool: MAX
kernel_size: 2
stride: 2
}
}
layer {
name: "ip1"
type: "InnerProduct"
bottom: "pool2"
top: "ip1"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
inner_product_param {
num_output: 3666
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
name: "relu4"
type: "ReLU"
bottom: "ip1"
top: "ip1"
}
layer {
name: "ip2"
type: "InnerProduct"
bottom: "ip1"
top: "ip2"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
inner_product_param {
num_output: 3666
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
name: "accuracy"
type: "Accuracy"
bottom: "ip2"
bottom: "label"
top: "accuracy"
include {
phase: TEST
}
}
layer {
name: "loss"
type: "SoftmaxWithLoss"
bottom: "ip2"
bottom: "label"
top: "loss"
}
（四）训练模型
到目前为止，准备工作都做完了，现在就可以利用python import caffe进行模型训练了，模型训练速度快慢主要看你GPU的配置如何，我开始用的GTX650，训练5000轮下来，就得消耗半天时间，后台实在无法忍受这个速度，就买了一个GTX1080，那速度简直没法比，训练5000轮半个小时就能完成。调用模型的代码如下：
cmd=‘caffe.exe train -solver=./caffe-master/caffe-master/windows/CaptchaTest/dpsample/solver/lenet_solver.prototxt‘#训练语句 os.system(cmd) os.chdir(path)
模型训练中主要的输出参数有：loss，accuracy，如果你看到loss一直在收敛，每500轮输出一次的准确率也在提高，那么说明你的模型设计没什么问题，不然就得重新设计。训练完成后就能得到如下模型：
（五）使用模型
模型训练完成后，我们就可以简单的用测试图片进行测试，测试代码如下:
#调用模型 deploy=‘.\dpsample\solver\lenet_deploy.prototxt‘ #deploy文件 caffe_model=‘.\dpsample\iterate_iter_5000.caffemodel‘ #训练好的 caffemodel imgtest=‘./dpsample/data/val/685_363.png‘ #随机找的一张待测图片 net = caffe.Net(deploy, caffe_model, caffe.TEST) transformer = caffe.io.Transformer({‘data‘: net.blobs[‘data‘].data.shape}) #设定图片的shape格式(1,3,32,32) transformer.set_transpose(‘data‘, (2,0,1)) #改变维度的顺序，由原始图片(28,28,3)变为(3,28,28) #transformer.set_mean(‘data‘, np.load(mean_file).mean(1).mean(1)) #减去均值，前面训练模型时没有减均值，这儿就不用 #transformer.set_raw_scale(‘data‘, 1) # 缩放到【0，1】之间 已经在网络里设置scale，这里可以不用 transformer.set_channel_swap(‘data‘, (2,1,0)) #交换通道，将图片由RGB变为BGR im=caffe.io.load_image(imgtest) #加载图片 net.blobs[‘data‘].data[...] = transformer.preprocess(‘data‘,im) #执行上面设置的图片预处理操作，并将图片载入到blob中 out = net.forward() prob= net.blobs[‘prob‘].data[0].flatten() #取出最后一层（Softmax）属于某个类别的概率值，并打印 print prob order=prob.argsort()[-1] print(order)
最后输出的order就是模型预测出最有可能文字的序号，再到文字和标号对应的字典中去查看就知道这里的识别对不对了！
#写在最后# 我是一个忠实的VS用户，所有代码都在VS编辑器实现的，要能用python，需要安装一个PTVS插件，在这里编辑python代码需要非常注意中文编码的处理，否则你会吃大苦头，不过相信我其他编辑器能搞定的VS也一定没问题，只是你要有足够的耐心，遇到问题的时候多思考多搜搜问题的本质所在。
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