TensorFlow 可以用来实现验证码识别的过程，这里识别的验证码是图形验证码，首先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。
生成验证码
首先生成验证码，这里使用 Python 的 captcha 库来生成即可，这个库默认是没有安装的，所以需要先安装这个库，另外还需要安装 pillow 库，使用 pip3 即可：
pip3 install captcha pillow
安装好之后，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 ImageCaptchafrom PIL import Imagetext='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：
预处理
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 ，然后再用它来生成验证码，就可以得到输入数据 x 了。
在这里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，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。
定义一个词表和其长度变量：
#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。VOCAB=['0','1','2','3','4','5','6','7','8','9']CAPTCHA_LENGTH=4VOCAB_LENGTH=len(VOCAB)
接下来定义一个生成验证码数据的方法，这里将返回的数据转为了 Numpy 形式的数组：
from PIL import Imagefrom captcha.image import ImageCaptchaimport numpy as npdef 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)"""[[[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。
接下来需要定义 label，由于需要使用深度学习模型进行训练，所以这里的 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，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 Falsevector = np.zeros(CAPTCHA_LENGTH * VOCAB_LENGTH)for i, c in enumerate(text):index = i * VOCAB_LENGTH + VOCAB.index(c)vector[index] = 1return vectordef 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
上面的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)"""[ 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"""
接下来构造一批数据，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 randomfrom os.path import join, existsimport pickleimport numpy as npfrom os import makedirsDATA_LENGTH = 10000DATA_PATH = 'data'def get_random_text():text = ''for i in range(CAPTCHA_LENGTH):text += random.choice(VOCAB)return textdef generate_data():print('Generating Data...')data_x, data_y = [], []# generate data x and yfor i in range(DATA_LENGTH):text = get_random_text()# get captcha arraycaptcha_array = generate_captcha(text)# get vectorvector = text2vec(text)data_x.append(captcha_array)data_y.append(vector)# write data to pickleif 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)#这里定义了一个 get_random_text() 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，
#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，就可以构建模型了，这里还是利用 train_test_split() 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_ytrain_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)
接下来使用三个数据集构建三个 Dataset 对象：
# train and dev datasettrain_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 iteratoriterator = 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，在这里使用三层卷积和两层全连接网络进行构造。为了简化写法，直接使用 TensorFlow 的 layers 模块：
# input Layerwith 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 layersfor _ 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 layersy = 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 [batch_size, n_classes]， label 是 CAPTCHA_LENGTH 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：/api_docs/python/tf/nn/softmax_cross_entropy_with_logits：
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 CAPTCHA_LENGTH 个 One-Hot 向量拼合而成，所以这里各个元素之和为 CAPTCHA_LENGTH，所以需要重新 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：
# losscross_entropy = tf.reduce_sum(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y_reshape, labels=y_label_reshape))# accuracymax_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：
# traintrain_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 logif 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)#首先初始化 train_initializer，将 iterator 绑定到 Train Dataset 上，然后执行 train_op，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：验证集准确率 95% 以上。
...Dev Accuracy 0.9580078 Step 0Dev Accuracy 0.9472656 Step 2Dev Accuracy 0.9501953 Step 4Dev Accuracy 0.9658203 Step 6Global Step 3243 Step 0 Train Loss 1.1920928e-06 Accuracy 1.0Global Step 3245 Step 2 Train Loss 1.5497207e-06 Accuracy 1.0Global Step 3247 Step 4 Train Loss 1.1920928e-06 Accuracy 1.0Global Step 3249 Step 6 Train Loss 1.7881392e-06 Accuracy 1.0...
测试
训练过程可以每隔几个 Epoch 保存一下模型：
# save modelif 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。
验证时可以重新 Reload 一下模型，然后进行验证：
# load modelckpt = 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')
如果要进行新的 Inference 的话，可以替换下 test_x 即可。
结语
文章内容参考自静觅»TensorFlow验证码识别
代码见：/AIDeepLearning/CrackCaptcha。
