基于深度学习的身份证号码识别方法

1. 课题背景

为了对二代身份证进行拍照获得图像后，实现对身份证号码的识别，提出了一种基于深度学习的身份证号码识别方法。该方法的思想是先通过先验知识确定身份证号码的大致位置，然后用迭代二值化和连通域技术提取出身份证号码图像；采用投影法分割出身份证号码单个灰度化字符，再利用基于深度学习卷积神经网络的方法，直接输入原始图像，避免对图像进行复杂的预处理工作，利用训练出来的模型识别出字符。

2004 年我国开始使用二代居民身份证，由于身份证编号能唯一确定一张身份证，并能得到一些个人信息，所以在大多数情况下，身份证一般只登记身份证号码，但登记还是采用人工方式，这不仅耗时而且效率低下，因此，如何快速录入身份证号码成为急需解决的问题，尤其是光学字符识别

（Optical Character Recognition，OCR）技术被成功引用到证件行业上来，身份证识别技术也得到广泛运用。

1. 常用的方法

身份证号码的识别技术属于图像字符识别领域，目前国 内外采用较多的方法主要有两类：基于模板匹配 OCR 算法和基于神经网络的 OCR 算法 [1-2]。目前随着人工智能领域深度学习的快速发展，图像识别技术的研究和应用飞速发展， 并取得突破性进展，光学字符识别技术也开始采用深度学习。其中卷积神经网络是深度学习 [3] 的一种高效识别算法，将卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）运用到身份证号码识别中，能够提高识别精度和增强鲁棒性。卷积 神经网络可以直接输入原图像进行训练，学习图像的特征， 经过训练后的网络可以用于字符的识别。

1. 身份证号码的定位和提取

3.1、身份证号码的定位

虽然第二代居民身份证的大小是固定的，但是拍照不像 扫描获得的身份证图像固定，因此，不能直接通过身份证图像 的大小来获取它的位置。图1(a) 为通过拍照获得的身份证图像， 要求拍照的背景不要复杂，比较简单，能够和身份证形成比较 大的差异，并且身份证在图像中的位置要居中和占据 80% 左右的空间，倾斜角不要太大，以保证能够检测到身份证，并 不会对身份证号码的定位造成影响。不管身份证的尺寸如何， 身份证号码在身份证上的位置总是固定的，结合先验知识和获

得的身份证图像，身份证号码位置要大于图像宽度的 1/3。身份证上身份证号码总是处于人脸之下，可以采用 Matlab 自带的 Vision 工具箱检测到人脸（如图 1(b) 所示），身份证号码大概在检测到的人脸长度的 1.2 倍之下，从而截取出包括身份证号码区域的一部分图像，如图 1(c) 所示。

获得的一部分图像是彩色图像，需要进行灰度化和二值化处理。常见的灰度化处理方法有平均值法、加权平均值法和最大值法等。通常加权平均值法 [4]，按公式（1）对 RGB 三个分量进行加权平均能得到灰度图像。

F=0.2989R+0.5870G+0.1140B （1）

式（1）中，F 为像素的灰度值，R 为彩色图像中红色分量的值，G 为彩色图像中绿色分量的值，B 为彩色图像蓝色分量的值。常见的二值化处理方法有全局固定阈值、自适应阈值二值化和 OSTU 法。采用了迭代法进行二值化 [5]，其思想是利用迭代的方法最终找到一个最佳的分割阈值，二值化后得到如图 1(d) 所示。

通常二值化后会用投影分割切割出身份证号码，但是图像区域还是略大，而且还有些其他的非号码区域，因此，继续采用一些图像处理技术来更好地提取出身份证号码图像， 达到要求。首先是对图像进行开运算，使得图像形成几个连通域，接着用 8 邻域标记连通域。因为身份证号码高度基本一致，所以身份证号码连通域将被合并。图像形成的连通域可能不止包括身份证号码，还有其他的部分，因此，需要计算连通域的面积来进行号码区域匹配，选取匹配度接近 1 的

连通域，并对目标区域分别向上下左右延伸 7 个像素，最后

在原图像上提取出身份证号码图像，如图 2 所示。

图 2 身份证号码图像

3.2、单个字符提取

获得身份证号码图像后，需要对图像进行字符分割，提取出单个字符。可以通过投影分割的方法来实现，步骤如下：

1. 对图像进行加权灰度化；
2. 用迭代二值化方法二值化灰度图像；
3. 采用像素水平投影和垂直投影 [6] 法切割出单个字符，图 3 为切割后的 18 个灰度化字符。

图 3 18 个灰度化的字符

1. 基于卷积神经网络的字符识别

4.1、深度学习

深度学习是机器学习研究中的一个新的领域，目的在于 模仿人脑的机制来解释数据，例如图像、声音和文本。深度 学习采用了神经网络的分层结构，系统包括输入层、隐藏层 和输出层组成的多层网络，只有相邻的节点之间有连接，同 一层以及跨层节点之间相互无连接，通过对给定的训练集不 断训练，主动学习一些特征，从而建立模型。深度学习首先 利用无监督学习对每一层网络进行逐层预训练，每次用无监 督学习只训练一层，并将训练结果作为更高一层的输入，最 后用监督学习去调整所有层。CNN[7-9] 是深度学习的一个重要算法，也是一种多层神经网络，通过卷积来模拟特征区分， 并且通过卷积的权值共享及池化，来降低网络参数数量级， 最后通过神经网络 [10-11] 完成分类等任务。

4.2、CNN 网络模型

深度学习的 CNN 网络结构主要考虑网络层数、卷积层神经元数和子采样层神经层数，以及最后输出层的神经层数。

CNN 网络结构如图 4 所示，参考了 CaffeNet[12] 模型，网络共有 8 层，其中前 5 层是卷积层，后 3 层是全连接层，由于

身份证号码有 0 ～ 9 和 X 共 11 类，因此，最后一个输出分类层是作为分类的总数。

图 4 CNN 网络模型

1. 实 验

本文由于采用了基于深度学习的身份证号码识别方法， 训练需要大量的数据集，而从实际中获取不现实，因此本文采用自己合成的数据集，用身份证号码区域的背景，身份证号码字体 OCR-B 10 BT，融合了不同的高斯噪声、不同的字体倾斜角、字体大小不同、RGB 不同以及区域大小，并且将

18 位身份证号码加入验证，确保符合真实的身份证号码要求， 得到了 10W 张身份证号码图像，如图 5 所示，并且每一张图像都有标签。

图 5 合成的数据集

用二值化和投影分割切出字符，将其分到 11 类中。本次实验是基于 ubuntu 14.10，GTX 980 的机器，深度学习的框架是Caffe，通过输入原图像，将图像归一化为 64*64 大小， 训练图像接近 18W，其中有 768 个字符没有切割出来，训练迭代 5W 次，得到模型，训练准确率接近 100%。通过自己拍照获得了 541 张身份证图像，身份证号码数共 9 738 个，

用之前的方法切割出 9 643 个字符，切割正确率为 99%，测试的识别率为 98%，其中错误的共 195 个。实验过程中有一些身份证号码图像切割出错，测试识别出错最多的是 0，图6 为切割出错的真实身份证号码图像示例。

图 6 切割出错的真实身份证号码图像示例

1. 结 语

本文针对二代身份证拍照识别的问题进行了研究，提出了基于深度学习的字符识别方法，该方法对身份证的号码有很高的识别率，对字符的倾斜和大小有很好的鲁邦性。但当分割出来的字符不太完整、图像质量比较差时识别会有一定影响。

1. 参考文献
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[12]A Krizhevsky,I Sutskever,GE Hinton.ImageNet classification with deep convolutional neural networks[C]// International Conference on Neural Information Processing Systems,2012:1097-1105.